QED: Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie (German Edition)

Kernreaktoren ein Leck auftritt), bei dem sich unter anderem ein Neutron in ein Proton verwandelt. Da ein Neutron aus zwei d- und einem u- Quark besteht, ein Proton dagegen aus zwei u s und einem d , muß sich eines der d- Quarks des Neutrons in ein u- Quark verwandeln (vgl. Abb. 85). Schauen wir uns den Vorgang genauer an, so zeigt sich, daß das d- Quark ein neues Teilchen ähnlich einem Photon, ein sogenanntes W, emittiert, das an ein Elektron und ein anderes neues Teilchen, ein sogenanntes Antineutrino, ein in der Zeit rückwärts laufendes Neutrino, koppelt. Dieses Neutrino gehört (wie Elektron und Quarks) in die Klasse der Teilchen mit Spin 1/2, besitzt aber weder Masse noch Ladung (und tritt deshalb auch nicht in Wechselwirkung mit Photonen). Ebensowenig wechselwirkt es mit Gluonen; es koppelt lediglich an W-Teilchen (vgl. Abb. 86)

     
    Dieses W gehört (wie Photon und Gluon) in die Klasse der Elementarteilchen mit dem Spin 1. Es ändert die »Flavorquantenzahl« eines Quarks und nimmt ihm die Ladung – das d mit der Ladung –2/3 wird zum u mit der Ladung +2/3 (Unterschied –1) –, beläßt ihm jedoch seine »Farbe«. Da das W selbst eine Ladung von –1 annimmt (und sein Antiteilchen, das W + , eine Ladung von +1), kann es auch an ein Photon koppeln. Der Betazerfall aber vollzieht sich viel langsamer als die Wechselwirkungen zwischen Photonen und Elektronen, darum schreibt man diesem neuen Teilchen (im Gegensatz zum Photon und Gluon) eine sehr große Masse zu (rund 80 000 MeV). Bis jetzt allerdings haben wir dieses W noch nicht gesehen, da die Abspaltung eines Teilchens von so gewaltiger Masse sehr viel Energie erfordern würde. 27
    Daneben gibt es noch ein anderes Elementarteilchen, eine Art neutrales W, wenn man so will, das sogenannte Z 0 . Dieses Z 0 ändert die Ladung eines Quarks nicht, koppelt aber an ein d- Quark, ein u- Quark, ein Elektron und ein Neutrino (vgl. Abb. 87). Diese Wechselwirkung, deren Entdeckung vor ein paar Jahren einigen Staub aufgewirbelt hat, läuft unter dem irreführenden Namen »neutrale Ströme«.

     
    Diese Theorie der Ws ist auch schön und gut, wenn man eine Dreiwegkopplung zwischen den drei verschiedenen W-Arten in Anschlag bringt (vgl. Abb. 88). Die beobachtete Kopplungskonstante für W kommt j , also der Kopplungskonstanten für das Photon, sehr nahe. Deshalb ist es nicht ausgeschlossen, daß die drei Ws und das Photon nur verschiedene Aspekte ein und derselben Sache sind. Stephen Weinberg und Abdus Salam haben versucht, die Elektrodynamik mit den sogenannten schwachen Wechselwirkungen (Wechselwirkungen mit Ws) zu einer einzigen Quantentheorie zusammenzufassen, was ihnen bis zu einem gewissen Grad gelungen ist. Nur daß man ihren Resultaten gewissermaßen den Kitt ansieht. Daß zwischen dem Photon und den drei Ws eine Beziehung bestehen muß, sieht ein Blinder. Welcher Art diese Beziehung sein könnte, läßt sich beim gegenwärtigen Wissensstand nicht ohne weiteres sagen. Man sieht in den Theorien noch die »Nahtstellen«, die, solange sie nicht schön geglättet, vielleicht noch nicht ganz so korrekt sind.

     
    Ziehen wir Bilanz: Die Quantentheorie kennt drei Hauptarten der Wechselwirkung – die »starken Wechselwirkungen« der Quarks und Gluonen, die »schwachen Wechselwirkungen« der W-Teilchen und die »elektrischen Wechselwirkungen« der Photonen. In der Welt gibt es (diesem Bild zufolge) nur folgende Elementarteilchen: Quarks (in den »Flavorquantenzahlen« u und d jeweils mit drei »Farben«), Gluonen (acht Kombinationen von R, G und B), Ws (mit den Ladungen ± 1 und 0), Neutrinos, Elektronen und Photonen – alles in allem rund zwanzig verschiedene Elementarteilchen sechs verschiedener Arten (plus Antiteilchen). Das ist gar nicht so schlecht – rund zwanzig verschiedene Teilchen –, nur, das ist noch nicht alles.
    Als man begann, die Kerne mit immer energiereicheren Protonen zu beschießen, brachte man ständig neue Elementarteilchen heraus. Darunter das Myon, das dem Elektron in jeder Hinsicht aufs Haar gleicht – bis auf seine wesentlich größere Masse. (Mit 105,8 MeV ist es ungefähr 206 mal schwerer als das Elektron mit 0,511 MeV). Man könnte fast glauben, Gott habe dasselbe Spiel einmal mit einer anderen Massenzahl ausprobieren wollen! In der Tat lassen sich sämtliche Eigenschaften des Myons mit der Theorie der Elektrodynamik vollständig beschreiben – die Kopplungskonstante j ist für beide Teilchen die gleiche und ebenso E(A nach