Die schwache Wechselwirkung

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1 Die schwache Wechselwirkung Thomas Mannel, Universität Siegen 24. Mai 2007 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 1 2 Die Geschichte der schwachen Wechselwirkung 2 3 Das moderne Verständnis der schwachen Wechselwirkung 7 4 Zusammenfassung 10 1 Einführung Die moderne Physik kennt insgesamt vier Arten der Wechselwirkung. Zwei dieser Wechselwirkungen spielen im täglichen Leben eine Rolle, die Gravitation, beispielsweise in Form der Erdanziehung, und die elektromagnetische Wechselwirkung, die die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Stoffen bestimmt. Außerdem kennen wir die starke Wechselwirkung, die Protonen und Neutronen zu Atomkernen und auch die Quarks im Proton und Neutron bindet, und die schwache Wechselwirkung, mit der sich dieser Artikel genauer befassen wird. Tatsächlich ist die Gravitation die schwächste dieser vier Wechselwirkungen, obwohl sie die Dynamik des Universums bestimmt. Die Ursache hierfür liegt in der Tatsache, dass die Gravitation langreichweitig ist und nur anziehende Gravitationskräfte existieren. Damit spielt die Gravitation bei großen Abständen die wesentliche Rolle, während die drei anderen Wechselwirkungen die mikroskopische Welt bestimmen, also die Welt der Elementarteilchen. Auf den ersten Blick scheint die schwache Wechselwirkung für das Verständnis unserer Welt nicht besonders wichtig zu sein, da sie schwach und kurzreichweitig ist. Es stellt sich aber heraus, dass die Prozesse der schwachen Wechselwirkung wesentlich sind für die Kernprozesse in der Sonne, die Sonne also ohne die schwache Wechselwirkung nicht scheinen würde. Außerdem hat die Erforschung der schwachen Wechselwirkung zu unserem Verständnis der mikroskopischen Welt wesentlich beigetragen. Wichtige und bisher ungeklärte Fragen wie die nach dem Ursprung der Masse und nach der Ursache der Asymmetrie 1

2 zwischen Materie und Antimaterie könnten im Bereich der schwachen Wechselwirkung eine Antwort finden. In diesem Artikel soll zunächst die spannende Geschichte der schwachen Wechselwirkung beschrieben werden, die zu dem dann im nächsten Abschnitt diskutierten modernen Verständnis geführt hat. 2 Die Geschichte der schwachen Wechselwirkung Den Beginn der Erforschung der schwachen Wechselwirkung markiert die Entdeckung der Radioaktivität im späten neunzehnten Jahrhundert. Zunächst entdeckte Becquerel [1] im Jahre 1896 die Radioaktivität, indem er feststellte, dass bestimmte Substanzen unsichtbare Strahlen aussenden, die mit photographischen Platten nachgewiesen werden konnten. Drei Jahre später fand Rutherford [2] heraus, dass es verschiedene Strahlenarten gibt, die er α und β Strahlen nannte. Er stellte fest, dass die α Strahlung wesentlich weniger durchdringend war als die β Strahlung. Heute wissen wir durch die bereits 1905 durchgeführten Experimente von Kaufmann, dass es sich bei der β Strahlung um Elektronen handelt. Fast zwanzig Jahre später erst entdeckte Chadwick [3], dass diese β Strahlen ein kontinuierliches Energiespektrum aufwiesen, was zu dieser Zeit völlig unverständlich war, da dies eine Verletzung der Energieerhaltung bedeuten würde. Die Messungen von Ellis und Wooster [4] im Jahre 1924, die den β Zerfall Bi Po untersucht haben, ergaben eine mittlere Energie der β Strahlung von E β = 350 kev, obwohl die Massendifferenz von E = 1050 kev der beiden Kerne eine wesentlich größere Energie nahelegt. Dieser erstaunliche Sachverhalt stellte die Forscher damals vor ein großes Problem, da augenscheinlich der Energiesatz verletzt war. Dieses Problem fand eine erstaunliche Lösung. Um die Energieerhaltung zu retten, forderte Pauli im Jahre 1930 in seinem berühmten Brief an die sehr geehrten radioaktiven Damen und Herren [5], die sich in Tübingen versammelt hatten, ein neues, bis dahin ungesehenes Teilchen, was ebenfalls beim β Zerfall freigesetzt wird, Energie und Impuls trägt und damit die Energieerhaltung rettet. Schon in diesem Brief deutet Pauli an, dass dieses Teilchen extrem schwach wechselwirken muss, da es sonst bereits in anderen Prozessen hätte gesehen werden müssen. Diese aus damaliger Sicht abenteuerliche Problemlösung hat sich erst viele Jahre später als korrekt herausgestellt, als Reines und Mitarbeiter 1953 die direkte Evidenz dieses Teilchens, das wir heute Neutrino nennen, fanden. Die ersten theoretischen Ansätze für ein Verständnis des nuklearen β Zerfalles wurden 1933 von Fermi [6] formuliert. Die Idee der theoretischen Beschreibung basiert auf einer Analogie mit der elektromagnetischen Wechselwirkung, bei der elektrische Ströme über magnetische Felder miteinander wechselwirken. Auf elementarer Ebene wechselwirken Elektronen durch den Austausch von Photonen, so dass effektiv eine Strom-Strom 2

3 Wechselwirkung auftritt. In ähnlicher Weise hat Fermi die schwache Wechselwirkung parametrisiert, in dem er die Ströme verallgemeinert hat: Der β Zerfall des Neutrons n p + e + ν e, wobei n für das zerfallende Neutron steht, p für das Proton, e für das Elektron und ν e für ein Elektron-Antineutrino, was nach Paulis Hypothese in dem Zerfall ebenfalls emittiert wird, ist demnach durch das Produkt zweier Ströme gegeben, wobei der eine den Übergang vom Neutron zum Proton, der andere die Erzeugung des Elektrons und des Antineutrinos beschreibt. Die Kopplungsstärke für diese Strom-Strom Kopplung der schwachen Wechselwirkung wurde als Parameter, die sogenannte Fermi-Kopplungskonstante G F, eingeführt, wobei der Wert aus Messungen bestimmt wurde. Abbildung 1: Enrico Fermi, der Begründer der Theorie der schwachen Wechselwirkung Nachdem in den vierziger und fünfziger Jahren noch wesentlich mehr Daten zu den nuklearen β Zerfällen zur Verfügung standen, stellte sich bald heraus, dass das von Fermi vorgeschlagene einfache Bild nicht vollständig sein konnte. Während sich bestimmte Klassen von Zerfällen gut beschreiben ließen, war die Beschreibung für bestimmte andere Zerfälle nicht korrekt. Aufgrund dieser Beobachtungen wurde der Fermi sche Ansatz weiter verallgemeinert, indem alle Wechselwirkungen berücksichtigt wurden, welche die Paritätssymmetrie, d.h. die Symmetrie unter Raumspiegelung, und die Ladungkonjugationssymmetrie, d.h. die Symmetrie unter einer Vertauschung von Teilchen mit seinem Antiteilchen, berücksichtigten. Trotzdem ergab sich aber hieraus immer noch keine zufriedenstellende Beschreibung der Daten. Mit der Entdeckung der Pionen π ± (geladene Pionen) und π 0 (neutrales Pion) und des geladenen Muons µ ± wurden deren Hauptzerfallskanäle ebenfalls als Prozesse der schwa- 3

4 chen Wechselwirkung identifiziert, weil die Kopplungsstärken der Zerfälle 1 π µ + ν µ und µ e + ν µ + ν e der des Neutron-β Zerfalles entsprachen. Dies wurde schon sehr früh als eine mögliche universelle Eigenschaft der schwachen Wechselwirkung interpretiert. Ende der vierziger Jahre und in den fünfziger Jahren wurde dann in verschiedenen Experimenten eine große Zahl von neuen Teilchen entdeckt. Die meisten dieser Teilchen zerfielen unter dem Einfluss der starken Wechselwirkung sehr schnell in Protonen, Neutronen und Pionen. Rochester und Butler [7] fanden aber einige Teilchen, die ein seltsames Verhalten aufwiesen: Obwohl sie wesentlich schwerer als Pionen waren, zerfielen sie nicht in einer für die starke Wechselwirkung typischen Zerfallszeit in Pionen, sondern stellten sich als deutlich langlebiger heraus; die Lebensdauern deuteten eher auf einen Prozess der schwachen Wechselwirkung hin. Die Erklärung dieses seltsamen Verhaltens ist ähnlich verblüffend wie Paulis Hypothese des Neutrinos: Gell Mann postulierte 1955 [8] eine neue Quantenzahl, die Strangeness, die in den Prozessen der starken Wechselwirkung enthalten ist, sich aber durch die schwache Wechselwirkung ändern kann. Damit wird der Zerfall eines seltsamen Teilchens zu einem Prozess der schwachen Wechselwirkung und die langen Lebensdauern verständlich. Abbildung 2: Die Entdeckung der seltsamen Teilchen in Nebelkammerexperimenten. Die V-förmige Spur in der unteren Hälfte des linken Bildes ist der Zerfall eines neutralen Kaons in zwei geladene Pionen, während die geknickte Spur im rechten oberen Teil des rechten Bildes den Zerfall eines geladenen Kaons in ein neutrales und ein geladenes Pion darstellt. 1 In der Formel für die Zerfälle bezeichnet ν µ das Muon-Neutrino, ν µ sein Antiteilchen und genauso für das Elektron Neutrino ν e. Die Tatsache, dass das Elektron Neutrino verschieden ist vom Muon Neutrino ist erst 1962 etabliert worden. Die Existenz eines dritten Neutrinos ν τ ist erst durch Experimente im Jahr 2000 verifiziert worden. 4

5 Die Prozesse mit den seltsamen Teilchen haben aber noch eine viel tiefere Einsicht in die Struktur der schwachen Wechselwirkung vermittelt. Unter diesen Teilchen wurden zwei Teilchen Θ und τ identifiziert, die im Rahmen der damaligen Messgenauigkeit gleiche Massen und Lebensdauern aber verschiedene Zerfallskanäle hatten, nämlich Θ π + π 0 und τ π + π π +. Die beiden Zerfälle deuteten darauf hin, dass tatsächlich zwei verschiedene Teilchen vorlagen, denn die Endzustände mit zwei Pionen haben ein anderes Verhalten unter Raumspiegelung als die mit drei Pionen, so dass unter der Annahme der Erhaltung der Paritätssymmetrie die beiden Teilchen verschieden sein mussten. Die Auflösung dieses Θ-τ Rätsels ist wiederum ähnlich überraschend wie das Postulat des Neutrinos. Lee und Yang postulierten 1956 [9], dass Θ und τ tatsächlich identisch sind 2, was aber zur Konsequenz hat, dass die schwache Wechselwirkung die Parität verletzen muss, ein schwacher Zerfall im Spiegel also anders aussieht als das Original. Diese Idee wurde zunächst nicht akzeptiert. Pauli ist mit dem Zitat bekannt, dass Gott doch kein schwacher Linkshänder sei. Allerdings hat die experimentelle Verifikation dieser Annahme weniger als ein Jahr gedauert: In den berühmten Experimenten von Wu und Mitarbeitern [10] und von Garwin, Ledermann und Mitarbeitern [11] wurde die Paritätsverletzung in nuklearen β Zerfällen direkt nachgewiesen. Für die theoretische Beschreibung bedeutet dies, dass an der schwachen Wechselwirkung nur solche Teilchen teilnehmen, deren Spin entgegen der Flugrichtung ausgerichtet ist. Solche Teilchen bezeichnet man als linkshändige Teilchen, die unter Raumspiegelung in rechtshändige Teilchen übergehen. Die massiven Teilchen wie das Elektron und das Muon treten dann in zwei Komponenten auf, einer rechts- und einer linkshändigen Komponente, während die Neutrinos, von denen man annahm, dass sie wie das Photon masselos sind, nur eine linkshändige Komponente besitzen. Da die rechtshändigen Teilchen überhaupt nicht an der schwachen Wechselwirkung teilnehmen, bezeichnet man diese Eigenschaft der schwachen Wechselwirkung auch als maximale Paritätsverletzung. Insbesondere stellte man fest, dass man nun mit einer modifizierten Fermi Theorie, bei der nur die linkshändigen Teilchen einbezogen wurden, eine konsistente Beschreibung des β Zerfalls sowie der Zerfälle der geladenen Pionen und des Muons bekam. Der nächste Durchbruch in der Beschreibung der schwachen Wechselwirkung kam durch die Beobachtung der schwachen Zerfälle von seltsamen Teilchen, die wir heute K ±, K 0 und K 0 nennen. Nimmt man eine universelle Kopplungsstärke, also die Fermi Kopplung G F, auch für die seltsamen Teilchen an, stellt sich heraus, dass man die Lebensdauern dieser Teilchen um einen Faktor 20 unterschätzt. Damit konnte die schwache Wechselwirkung nicht universell sein, zumindest nicht in dieser allgemeinen Form. Cabbibo [12] reformulierte 1963 die Universalität, indem er aus allgemeinen Überlegungen postulierte, dass der Teil der schwachen Wechselwirkung, der die Strangeness Quantenzahl erhält, mit dem Cosinus eines Winkels, dem Cabbibo Winkel Θ C, multipliziert wird, während die strangeness -ändernden Anteile mit dem Sinus des Winkels multipliziert werden. Diese 2 Heute nennen wir dieses Teilchen K +. 5

6 abstrakte Drehung um einen Winkel von ca. 13 o erklärt dann die Unterdrückung der Zerfälle, bei denen sich die Strangeness ändert. Da sin 2 Θ C + cos 2 Θ C = 1 gilt, bleibt die Gesamtstärke der Wechselwirkung unverändert, wobei die Kopplungskonstante wieder G F ist. Diese Art der Parametrisierung hatte wiederum einige erstaunliche Folgen. Die beobachteten schwachen Zerfälle hatten immer die Form von sogenannten geladenen Strömen: In allen β Zerfällen ändert sich die Ladung der sogenannten Hadronen 3 immer um eine Einheit, die beobachteten Prozesse waren z.b. n p + e + ν e (Ladung 0 nach Ladung 1) oder auch K π 0 + e + ν e (Ladung -1 nach Ladung 0). Im Gegensatz dazu wurden keine Prozesse beobachtet, bei denen sich die Strangeness änderte, aber die Ladung des zerfallenden Teilchens mit der des Hadrons im Zerfallsprodukt übereinstimmte, also beispielsweise der Prozess K π + ν e + ν e (Ladung -1 nach Ladung -1). Solche strangeness ändernden neutralen Ströme wurden zu dieser Zeit überhaupt nicht beobachtet, und selbst heute werden nur sehr wenige dieser Zerfälle beobachtet. Aus damaliger Sicht gab es zunächst keine plausible Erklärung, warum diese Art von Prozessen sehr stark unterdrückt wird. Erst Anfang der siebziger Jahre haben Glashow, Iliopoulos and Maiani [13] eine Erklärung gefunden, die wiederum verblüffende Konsequenzen hatte. Sie forderten die Existenz einer weiteren Quantenzahl, des sogenannten Charms, obwohl zu dieser Zeit noch kein Teilchen mit einer solchen Quantenzahl gesehen worden war. Um die strangeness ändernden neutralen Ströme stark zu unterdrücken, mussten die schwachen Prozesse, bei denen sich die charm Quantenzahl ändern kann, ebenfalls um den Cabibbo Winkel Θ C gedreht werden. Damit mussten die Prozesse, bei denen sich die strangeness und charm ändern, mit dem Kosinus des Winkels Θ C, die, bei denen sich nur charm ändert, mit dem Sinus von Θ C, multipliziert werden. Unter diesen Annahmen, so haben Glashow, Illiopulos und Maiani gezeigt, werden die strangeness ändernden neutralen Ströme stark unterdrückt. Interessant ist, dass man zu dieser Zeit bereits durch präzise Experimente vorhersagen konnte, dass die Teilchen mit der neuen Charm Quantenzahl eine Masse von ca. der 1,5fachen Protonenmasse haben mussten. Da diese Teilchen an Beschleunigern nur in Teilchen-Antiteilchen Paaren erzeugt werden können, erwartete man aus diesen rein theoretischen Überlegungen neue Effekte bei Beschleunigerenergien, die etwa der dreifachen Protonenmasse entsprechen. Diese Vorhersage wurde im Sommer des Jahres 1974 publiziert, die Krönung dieser Entwicklung war dann die Entdeckung von Teilchen, die die Charm enthielten, im November des Jahres Die Entwicklung von Theorien im Bereich der Teilchenphysik basiert fast immer auf Symmetrieannahmen. Nachdem die Parität keine Symmetrie der Natur mehr zu sein schien, erkannte man schnell, dass die Kombination aus Parität und Ladungskonjugation immer noch eine intakte Symmetrie zu sein schien. Während unter der Parität ein linkshändiges Teilchen in ein rechtshändiges Teilchen übergeht, was dann nicht mehr schwach wechsel- 3 Hadronen ist ein Sammelbegriff für alle Teilchen, die an der starken Wechselwirkung teilnehmen, also Protonen, Neutronen, Pionen, Kaonen, etc,. Im Gegensatz dazu sind Elektronen, Myonen oder auch Neutrinos sogenannte Leptonen, die keine starke Wechselwirkung spüren. 6

7 wirkt, geht unter der Ladungskonjugation das rechtshändige Teilchen in ein rechtshändiges Antiteilchen über, das in der gleichen Weise schwach wechselwirkt wie ein linkshändiges Teilchen. Diese Annahme hatte Bestand bis in die Mitte der sechziger Jahre, bis Cronin und Fitch [14] eine Verletzung der kombinierten Symmetrie aus Parität und Ladungskonjugation entdeckten. Ebenfalls in Zerfällen von Kaonen wurde eine winzige Asymmetrie entdeckt, die als eine Verletzung dieser kombinierten Transformation interpretiert werden musste. Die theoretische Interpretation dieser sogenannten CP Verletzung markiert dann den letzten Meilenstein, der unser heutiges Verständnis bestimmt. Es stellte sich heraus, dass Modelle, die nur die Quantenzahlen strangeness und charm haben, nicht in konsistenter Weise die Verletzung der CP Symmetrie beschreiben können. Im Jahr 1974 bemerkten Kobayashi und Maskawa [15], dass man mit der Einführung von zwei weiteren Quantenzahlen beauty und truth (heute sagt man eher bottom und top ) eine CP Verletzung auf konsistente Weise in die Beschreibung einbringen kann. Um die Unterdrückung der strangeness ändernden neutralen Ströme (und analog auch der beauty ändernden neutralen Ströme) weiterhin zu gewährleisten, musste die von Cabbibo vorgeschlagene Drehung auf eine Drehung in einem abstrakten dreidimensionalen Raum erweitert werden. Ein solche Drehung wird durch drei Euler Winkel beschrieben, so dass zusammen mit dem Parameter, der die CP Verletzung beschreibt, insgesamt vier Parameter bleiben. Teilchen mit bottom Quantenzahlen wurden tatsächlich 1977 entdeckt; Zustände mit top Quantenzahlen wurden erst Mitte der neunziger Jahre gefunden, was unser Verständnis der schwachen Wechselwirkung abgerundet hat. 3 Das moderne Verständnis der schwachen Wechselwirkung Das moderne Verständnis der schwachen Wechselwirkung ist eng verknüpft mit der Entwicklung des Quarkmodells von Hadronen, also von stark wechselwirkenden Teilchen. Dieses Modell beschreibt alle bekannten Hadronen als Bindungszustände von Grundbausteinen, den Quarks. Hierbei bestehen Mesonen (Hadronen mit ganzzahligem Drehimpuls, z.b. das Pion) aus einem Quark und einem Antiquark, während die Baryonen (Hadronen mit halbzahligem Drehimpuls, z.b das Proton) aus drei Quarks bestehen. In diesem Bild sind die schwachen Prozesse Übergänge zwischen verschiedenen Quarksorten, den sogenannten Flavours der Quarks. Die uns umgebende Materie besteht nur aus up und down (u und d) Quarks, während die Kaonen ein strange quark enthalten, was die Quantenzahl strangeness trägt. Auch für die von Glashow, Illiopoulos und Maiani eingeführte Quantenzahl gibt es ein Quark, das charm (c) quark, und die sogenannte dritte Teilchengeneration mit den Quantenzahlen bottom und top werden durch zwei weitere Quarksorten (b und t) repräsentiert. Damit gibt es nach unserem heutigen Verständnis sechs Quark-Flavours. Da bisher nur Hadronen mit ganzzahligen 7

8 elektrischen Ladungen (in Einheiten der Ladung des Elektrons) beobachtet wurden, müssen die Quarks drittelzahlige Ladungen tragen. In diesem Bild besteht beispielsweise ein Neutron aus (udd) und ein Proton aus (uud), da die Ladung des u Quarks +2/3 und die des d Quarks 1/3 beträgt. Die Beschreibung der schwachen Wechselwirkung durch Fermi s Strom-Strom Kopplung wurde Anfang der siebziger Jahre zu dem Bild weiterentwickelt, was wir heute als das Standardmodell der Teilchenphysik bezeichnen. Anstoß hierzu war wiederum ein theoretisches Problem: Die zu Fermis Beschreibung gehörige quantenmechanische Theorie weist ein erhebliches Defizit auf, da bei hohen Energien Wahrscheinlichkeiten von mehr als 100 % auftreten können, d.h. es kann aus einem Prozess mehr herauskommen als hineinfließt. Diese Problem wurde dadurch gelöst, dass man weitere Teilchen einführte, die ähnlich wie in der Quantentheorie der Elektrodynamik das Photon die Wechselwirkung vermitteln. Damit konnte die schwache Wechselwirkung so wie die Elektrodynamik als eine sogenannte Quantenfeldtheorie beschrieben werden, in der Wechselwirkungen durch einen Teilchenaustausch beschrieben werden. Unter dieser Annahme eines sogenannten intermediären Bosons kann man unter Benutzung der Fermi Kopplungskonstanten G F einen Wert für die Masse eines solchen intermediären Bosons berechnen. Um die Masse zu bestimmen, musste eine Annahme gemacht werden über die Stärke, mit der ein solches intermediäres Boson an die Elektronen und Neutrinos koppelt. Nimmt man hier an, dass elektromagnetische und schwache Prozesse eine gemeinsame Wurzel haben und setzt deshalb die elektromagnetische Kopplung ein (also die Kopplungsstärke von Photonen an Elektronen), dann ergibt sich eine Masse von etwa dem 80fachen der Protonenmasse, was zur Zeit der Formulierung dieser Idee eine ungeheuer große Masse war. In diesem Bild ist der β Zerfall eines Neutrons der Übergang eines d Quarks in ein u Quark, so wie er in Abb. 3 dargestellt ist. Das ausgetauschte intermediäre Boson, was heute W -Boson genannt wird, muss demnach elektrisch geladen sein, da es in ein Elektron und ein Neutrino zerfallen kann. Mit der Einführung dieser massiven intermediären Bosonen konnten aber immer noch nicht alle theoretischen Probleme beseitigt werden. Es gelang zunächst lediglich, eine konsistente Theorie mit intermediären Bosonen zu formulieren, die aber so wie ein Photon keine Masse besaßen. Eine solche Theorie stimmt aber nicht mit den Beobachtungen überein, so dass hier die Theorie noch weiterentwickelt werden musste. Diese Weiterentwicklung wurde von den Theoretikern Higgs und Kibble durchgeführt, die die Theorie zur Konsistenz gebracht haben, indem sie ein weiteres Teilchen, das sogenannte Higgs Boson, eingeführt haben. In dieser Theorie entstehen alle Teilchenmassen (auch die der intermediären Bosonen) durch die Kopplung an dieses Higgs Teilchen, welches allerdings bis heute noch nicht entdeckt wurde. Man vermutet, dass die Masse diese Teilchens so groß ist, dass es erst am jetzt in Betrieb gehenden neuen Teilchenbeschleuniger LHC am CERN in Genf ein Chance gibt, diese Teilchen zu entdecken. Das heutige Standardmodell der Elementarteilchenphysik wurde von Glashow, Weinberg und Salam [16] in den siebziger Jahren formuliert und fasst die starke, die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung in einer Theorie zusammen. Der Teil des Mo- 8

9 Abbildung 3: Der β Zerfall eines Neutrons im Quark Bild. dells, der sich mit der elektromagnetischen und der schwachen Wechselwirkung befasst, lässt sich nur als konsistente Quantenfeldtheorie formulieren, wenn man zum einen das Higgs Boson zur Massenerzeugung einführt, zum anderen aber auch ein schweres, elektrisch neutrales intermediäres Boson Z fordert, dessen Kopplungen durch die Theorie festgelegt sind. Neben diesem schweren neutralen Boson tritt notwendigerweise auch ein masseloses intermediäres Boson auf, was mit dem Photon identifiziert wird. Damit ergibt sich eine vereinheitlichte Beschreibung der elektromagnetischen und der schwachen Wechselwirkung, die sogenannte elektroschwache Theorie. Obwohl die Grundzüge des Standardmodells und insbesondere die Existenz des neutralen intermediären Bosons etwa Mitte der siebziger Jahre formuliert wurden, wurde erst in den siebziger Jahren die Existenz dieses schweren neutralen Bosons akzeptiert, da es keine flavour-ändernden neutralen Ströme induzieren kann und deshalb bei niedrigen Energien nur in der Streuung von Neutrinos nachgewiesen werden kann. In den achziger Jahren wurde das Standardmodell und insbesondere dessen elektroschwacher Teil etabliert, indem am SPS Beschleuniger am CERN in Genf die neutralen und die geladenen intermediären Bosonen direkt nachgewiesen wurden. Mittlerweile wurde nämlich der Bau von Teilchenbeschleunigern mit so hohen Energien möglich, dass die schweren Bosonen direkt erzeugt werden konnten. In den neunziger Jahren wurde dann nach der Inbetriebnahme eines weiteren Beschleunigers LEP, ebenfalls am CERN in Genf, das Standardmodell und speziell alle Aspekte der schwachen Wechselwirkung mit extremer Präzision getestet. Bis auf das bisher nicht entdeckte Higgs Boson sind alle Teilchen des Modells bekannt. Weiterhin beschreibt das Standardmodell der Teilchenphysik sämtliche bisher untersuchten Elementarteilchenprozesse mit enormer Präzision. Das Standardmodell stellt damit den brillanten Schlusspunkt einer langen Entwicklung dar, deren Weg durch etliche 9

10 Abbildung 4: Die Grundbausteine der Materie im Standardmodell. Die Materie besteht aus Quarks und Leptonen, wobei die Quarks in der ersten Zeile die elektrische Ladung +2/3, die der zweiten Zeile die Ladung -1/3 haben, während die obere Zeile der Leptonen die Ladung -1 und die untere die Ladung 0 haben. Die Abkürzung g steht hier für das Gluon, das Austauschteilchen für die starke Wechselwirkung. Nobelpreise markiert ist. 4 Zusammenfassung Obwohl das Standardmodell sehr erfolgreich ist, kann es nicht die endgültige Theorie für die Wechselwirkungen der Elementarteilchen sein. Insbesondere im Bereich der schwachen Wechselwirkung bleiben sehr viele Fragen offen. Zum einen ist der Ursprung der Masse der Teilchen immer noch unklar. Selbst wenn das Higgs-Teilchen am LHC gefunden werden wird, bleibt immer noch die Frage offen, warum beispielsweise das Verhältnis der Massen des Elektrons und des Muons, seines schwereren Bruders, den beobachteten Wert hat. Zum anderen besteht unsere Welt aus Materie, obwohl die Naturgesetze im Wesentlichen symmetrisch sind unter Vertauschung von Teilchen mit Antiteilchen. Lediglich in der schwachen Wechselwirkung gibt es eine kleine Asymmetrie, die oben diskutierte CP Verletzung, die aber zu klein ist, um die im Universum beobachtete Asymmetrie zu erklären. 10

11 Von der theoretischen Seite her stellt sich weiterhin die Frage, inwieweit eine weitere Vereinheitlichung der Wechselwirkungen nach dem Muster der elektroschwachen Vereinigung möglich ist. In der Tat deuten die Quantenzahlen der beobachteten Quarks und Leptonen darauf hin, dass es eine große Vereinheitlichung geben sollte. Bisher ist es allerdings noch nicht gelungen, eine Theorie mit großer Vereinheitlichung zu formulieren, die phänomenologisch korrekt ist. Beispielsweise sagen solche Theorien einen Zerfall des Protons voraus, der aber bis jetzt nicht beobachtet wurde. Von den in den nächsten zehn Jahren stattfindenden Experimenten erwarten die Teilchenphysiker zumindest eine teilweise Klärung dieser Fragen. Andererseits lehrt die Historie der schwachen Wechselwirkung, dass die Klärung eines Problems, die oft sehr ungewöhnlich war, neue Fragen aufgeworfen hat, die wiederum Ausgangspunkt für ganz neue Ideen waren und hoffentlich in Zukunft auch sein werden. Literatur [1] H. Becquerel, C. R. Acad. Sci. (Paris) 122, 501 (1896). [2] E. Rutherford, Phil. Mag. 47, 109 (1899). [3] J. Chadwick, Verh. Dtsch. Phys. Ges. 16, 383 (1914). [4] C. D. Ellis and W. A. Wooster, Proc. Roy. Soc. London A 117, 109 (1927). [5] W. Pauli, Collected Scientific Papers, Vol. 2, p (Interscience, New York, 1964). [6] E. Fermi, Ricera Scient. 2, issue 12 (1933); Z. Phys 88, 161 (1934). [7] G. D. Rochester and C. C. Butler, Nature 160 (1947) 855. [8] M. Gell-Mann, Phys. Rev. 92, 833 (1953). [9] T. D. Lee and C. N. Yang, Phys. Rev. 104, 254 (1956). [10] C. S. Wu, E. Ambler, R. Hayward, D. Hoppes and R. Hudson, Phys. Rev. 105, 1413 (1957). [11] R. L. Garwin, L. M. Lederman and M. Weinrich, Phys. Rev. 105, 1415 (1957). [12] N. Cabibbo, Phys. Rev. Lett. 10, 531 (1963). [13] S. Glashow, J. Iliopoulos and L. Maiani, Phys. Rev. D 2, 1285 (1970). [14] J. Christensen, J. Cronin, V. Fitch and R. Turlay, Phys. Rev. Lett. 13, 138 (1964); Phys. Rev. 140 B74 (1965). [15] M. Kobayashi and T. Maskawa, Progr. Theor. Phys. 49, 652 (1973). 11

12 [16] S. L. Glashow, Nucl. Phys. 22, 579 (1961), S. Weinberg, Phys. Rev. Lett. 19, 1264 (1967), A. Salam, proceedings of the Nobel Symposium, Stockholm, 1968, p