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Lexikon der Astronomie: elektroschwache Theorie

Die historisch erste gelungene vereinheitlichte Quantenfeldtheorie war die Verschmelzung von elektromagnetischer Wechselwirkung, also der Quantenelektrodynamik (QED), und der schwachen Wechselwirkung. Die elektroschwache Theorie geht auf die Physiker Sheldon Lee Glashow, Steven Weinberg und Abdus Salam zurück und wird auch Weinberg-Salam Modell genannt.

U(1) × SU(2) – wie bitte?

Vom Standpunkt der Gruppentheorie aus, bildet man das direkte Produkt der Symmetriegruppe U(1) der QED mit der Symmetriegruppe SU(2) der schwachen Theorie (zurückgehend auf Glashow, 1961). Dies generiert zunächst vier masselose Vektorbosonen (vektoriell heißt Spin 1), die man W+, W-, W0 und B0 nannte. Unter Hinzunahme eines skalaren (d.h. Spin 0), eichinvarianten Feldes, das man mit dem Higgs-Teilchen identifiziert, erhalten diese vier Vektorbosonen über den Higgs-Mechanismus, einer spontanen Symmetriebrechung, eine Masse! Auf diese Weise wurden die hohen Massen von den W- und dem Z-Teilchen (den Weakonen) erklärbar.

Glänzende Bestätigung einer Theorie!

Selbstverständlich war der Jubel über die experimentelle Verifikation dieser Theorie durch den Nachweis des Z-Teilchens 1973 am CERN (Donald Perkins) groß und wurde mit dem Nobelpreis für die Theoretiker (Weinberg, Salam und Glashow, 1979) belohnt. Die geladenen Ströme W- und W+ wurden erst zehn Jahre nach der Entdeckung des Z-Teilchens, 1983, verifiziert. Ebenfalls am CERN wurde in einem Synchrotron Protonen und Antiprotonen auf Kollisionskurs gebracht. Carlo Rubbia und Simon Van der Meer entdeckten daher die beiden weiteren Vektorbosonen.

Nachahmer

Die elektroschwache Theorie mit einer typischen Energieskala von 1 TeV (1000 GeV) war der erste Schritt im Bestreben die vier fundamentalen Naturkräfte zu vereinigen. Später folgten die Großen Vereinheitlichten Theorien (GUT), die die Quantenchromodynamik (QCD) zusammen mit der elektroschwachen Theorie vereinheitlichen will. Die hier typische Energieskala liegt bei 2 × 1016 GeV. Die letzte Vereinheitlichung aller vier Naturkräfte ist die Vereinheitlichte Theorie (UT).

früher, heißer Kosmos

In der Frühphase des Universums, nur Sekundenbruchteile nach dem Urknall, haben die richtigen Bedingungen geherrscht, dass alle vier Wechselwirkungen ununterscheidbar waren. Nach der UT suchte man allerdings bisher immer noch vergeblich, weil die Miteinbeziehung der Gravitation nicht trivial ist und nur über das Auffinden einer Quantengravitation zu funktionieren scheint. Die aktuellen Forschungen auf dem Gebiet der Stringtheorien und eine Verifikation (oder Falsifikation) der Extradimensionen sind die Wege, die beschritten werden, um einem Konzept der Quantengravitation oder gar einer Vereinheitlichten Theorie näher zu kommen.

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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