Die elektroschwache Wechselwirkung ist die vereinheitlichte Theorie aus der Quantenelektrodynamik und der schwachen Wechselwirkung. Sie ist neben der Quantenchromodynamik ein Pfeiler des Standardmodells der Physik. Diese Vereinheitlichung wurde zunächst von S. L. Glashow, A. Salam und S. Weinberg 1967 theoretisch beschrieben, experimentell wurde die Theorie 1973 indirekt durch die Entdeckung der NC-Ströme und 1983 direkt durch den Nachweis der W^± und Z⁰-Eichbosonen bestätigt. Eine Besonderheit ist die Verletzung der Parität durch die elektroschwache Wechselwirkung.

Physik der schwachen und elektroschwachen Wechselwirkung

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Für die physikalische Beschreibung ist es notwendig, die Leptonen bzw. Quarks einer Generation zu einem Dublett für linkshändige Teilchen und zu Singuletts für rechtshändige Teilchen zusammenzufassen. Die elektroschwache Wechselwirkung wirkt auf folgende Teilchendubletts und Singuletts (aus Fermionen):

Dubletts:

Leptonen

-

$\{e\; \backslash choose\; \backslash nu\_e\}\_L$

$\{\backslash mu\; \backslash choose\; \backslash nu\_\backslash mu\}\_L$

$\{\backslash tau\; \backslash choose\; \backslash nu\_\backslash tau\}\_L$

el. Ladungen $\{-1\}\backslash choose\{0\}$

schwache Ladungen Y: $\{-1\}\; \backslash choose\; \{-1\}$

Isospin $I\; =\; +1/2$ Isospin $I\_3$: $\{+1/2\}\; \backslash choose\; \{-1/2\}$

-

Quarks

-

$\{u\; \backslash choose\; d\text{'}\}\_L$

$\{c\; \backslash choose\; s\text{'}\}\_L$

$\{t\; \backslash choose\; b\text{'}\}\_L$

el. Ladungen Q: $\{2/3\}\backslash choose\{-1/3\}$

schwache Ladungen Y: $\{-1/3\}\; \backslash choose\; \{-1/3\}$

Isospin $I\_3$: $\{+1/2\}\; \backslash choose\; \{-1/2\}$

Singuletts (I=0):

1

2

3

el. Ladung Q

schw. Ladung Y

-

$e^-\_R$

$\backslash mu^-\_R$

$\backslash tau^-\_R$

-1

-2

-

$u\_R$

$c\_R$

$t\_R$

+2/3

+4/3

-

$d\_R$

$s\_R$

$b\_R$

-1/3

-2/3

sowie auf die zugehörigen Antiteilchen und aus diesen Teilchen zusammengesetzte Systeme. Zusätzlich zur elektrischen Ladung tragen die oben aufgezählten Teilchen eine schwache (Hyper-)Ladung $Y$. Der Strich bei d,s,b soll auf die CKM-Mischung (siehe CKM-Matrix) hinweisen.

Eichbosonen

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Wie bei allen Quantenfeldtheorien werden auch in der elektroschwachen Theorie die Wechselwirkungen durch Eichbosonen vermittelt. Vor der Entwicklung der elektroschwachen Theorie waren für die schwache Wechselwirkung zwei Bosonen (Kopplungskonstante $g$, Bosonen W^±) und für die elektromagnetische Wechselwirkung ein Boson (Photon $\backslash gamma$) bekannt.

In der elektroschwachen Theorie treten zunächst vier masselose Bosonen auf:

• ein B⁰-Boson;
• drei W-Bosonen W¹, W², W³

Nach einer spontanen Symmetriebrechung erhält man vier Bosonen, die sich als Mischung der masselosen Bosonen darstellen lassen:

• ein Photon $\backslash gamma$;, masselos, nicht geladen
• zwei W-Bosonen W^±, Masse 80.(41) GeV, Ladung ±1
• ein Z⁰-Boson, Masse 91.18(7) GeV, nicht geladen

Die Linearkombinationen, die diese Bosonen beschreiben lauten:

$\backslash vert\; W^\{\backslash pm\}\; \backslash rangle\; =\; \backslash vert\; W^1\; \backslash rangle\; \backslash pm\; i\; \backslash vert\; W^2\; \backslash rangle$

$\backslash vert\; \backslash gamma\; \backslash rangle\; =\; \backslash cos\; \backslash theta\_w\; \backslash vert\; B^0\; \backslash rangle\; +\; \backslash sin\; \backslash theta\_w\; \backslash vert\; W^0\; \backslash rangle$

$\backslash vert\; Z^0\; \backslash rangle\; =\; -\; \backslash sin\; \backslash theta\_w\; \backslash vert\; B^0\; \backslash rangle\; +\; \backslash cos\; \backslash theta\_w\; \backslash vert\; W^0\; \backslash rangle$

Das Z⁰-Boson ist nicht wie die W-Bosonen maximal paritätsverletzend, da es einen Anteil des B⁰-Bosons enthält. Man sagt, die Zustände des Photons und des Z⁰-Bosons seien um den sogenannten Weinbergwinkel gedreht.

Das Photon verhält sich wie im Rahmen der QED beschrieben.

Das Z-Boson

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Das ungeladene Eichboson Z wirkt nun wie das W^± auf alle in der Tabelle aufgeführten linkshändigen Teilchen und, durch die Weinberg Mischung auch zu einem Teil an die rechtshändigen Teilchen. Insbesondere bei Z spricht man daher von neutralen Strömen (NC). Dieser Anteil der elektroschwachen Wechselwirkung verändert (wie in Abb. 1,2 zu sehen) nicht die Flavours der beteiligten Fermionen. Es tritt eine – teilweise – Verletzung der Parität auf.

neutraleStroeme.png | geladeneStröme.png

Komplizierter gestaltet sich die Beschreibung für W^±; diesen Anteil bezeichnet man auch als „geladene Ströme“ (CC). Hier tritt die maximale Verletzung der Parität auf: Die geladenen Ströme koppeln ausschließlich an die linkshändigen Dubletts (Abb. 3,4). Die W-Bosonen „ändern“ dabei das Flavour (z. B. wird aus einem Elektron ein Elektron-Neutrino,...). Bei Quarks ist hierbei die CKM-Mischung (benannt nach Cabibbo, M. Kobayashi, T. Masakawa) zu beachten: Beispiel: Ein u-Quark kann durch W^- nicht nur in ein d-Quark umgewandelt werden, es besteht – wenn auch mit geringerer Wahrscheinlichkeit – die Möglichkeit, ein s-Quark oder b-Quark zu erhalten. Dieses Verhalten wird dadurch verursacht, dass die Massen-Eigenzustände nicht mit den so genannten Wechselwirkungs-Eigenzuständen übereinstimmen.

Wechselwirkung und Masse

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Massenbehaftete Eichbosonen können in der Feldtheorie nur mit Hilfe eines Skalarfeldes beschrieben werden, das den beteiligten Eichbosonen Masse verleiht. In der elektroschwachen Theorie ist dieses Feld das Higgs-Feld (benannt nach P. Higgs). Dabei nimmt man an, dass das skalare Higgs-Feld im frühen Universum nur ein Minimum besaß.

Durch die fortlaufende Abkühlung folgte ein spontaner Symmetriebruch und das Higgs-Feld fiel in ein neues Minimum. Die Eichbosonen der elektroschwachen Wechselwirkung erhalten durch die Ankopplung an das Higgs-Feld endliche Massen. Ein direkter Nachweis des Higgs-Teilchens ist bisher nicht gelungen. Eine Detektion erhofft man sich von den Experimenten am LHC Beschleuniger des CERN ab 2007.

Erweiterungen der elektroschwachen Wechselwirkung

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Man versucht die elektroschwache Wechselwirkung ihrerseits mit anderen Wechselwirkungen zu vereinigen. Naheliegend ist die Erweiterung um die starke Wechselwirkung (QCD) zu einer GUT. Durch Einführen einer neuartigen Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen – der Supersymmetrie – versucht man in der so genannten TOE das physikalische Weltbild zu ergänzen.

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