Die Rolle von W-Bosonen bei der schwachen Kernkraft und dem Beta-Zerfall

Auf den ersten Blick werden W-Bosonen in diesen Szenarien überhaupt nicht benötigt: Sie könnten die Wechselwirkung modellieren, indem Sie annehmen, dass zwischen den 4 Teilchen (Neutron, Proton, Elektron, Neutrino) eine direkte Kopplung besteht – was ursprünglich von Fermi vorgeschlagen wurde (siehe Fermis 4-Punkte-Interaktion ).

Somit sind sowohl die$n+\nu \rightarrow p + e$Interaktion und Zerfall$n\rightarrow p + e + \overline{\nu}$kann schematisch dargestellt werden durch: Wo die Zeit von links nach rechts fließt.

Allerdings treten bei diesem Ansatz Probleme auf: Da die Schwerpunktsenergie (meist als$\sqrt{s}$) des wechselwirkenden Neutrons und Neutrinos im linken Diagramm steigt, ebenso der Wirkungsquerschnitt$\sigma(s)$in diesem Zusammenhang unsinnig berechnet (Wahrscheinlichkeiten über 1).

Eine Lösung besteht darin, die Theorie zu „UV zu vervollständigen“ – dh die Theorie zu vervollständigen, indem das Verhalten im Ultraviolett/bei hohen Energien spezifiziert wird – indem die naive Kontaktwechselwirkung vollständig aufgegeben und durch den Austausch von W-Bosonen ersetzt wird (dies kann nicht nur für passieren linkes Diagramm; man hat das Modell geändert). Tatsächlich wird in dieser abgeschlossenen Theorie sogar der Neutronenzerfall durch den Austausch eines W-Bosons erklärt.

Letzte Kommentare:

• Für ausreichend niedrige Energien ist die 4-Punkte-Wechselwirkungsbeschreibung genau und immer noch nützlich;
• Im Standardmodell koppelt das W-Boson an die Quarks , aus denen Proton und Neutron aufgebaut sind.

Hier ist das Feynman-Diagramm des Neutronenzerfalls:

Ein freies Neutron zerfällt, indem es ein W- emittiert, das ein Elektron und ein Antineutrino erzeugt.

und das Diagramm für die Neutrino-Neutronenstreuung:

Diese Wechselwirkung ist die gleiche wie oben, da ein W+ von rechts nach links einem W- von links nach rechts entspricht.

Wenn sich im quantenmechanischen Rahmen ein Zustand auf einem höheren Energieniveau befindet als ein Zustand mit niedrigerem Energieniveau, der durch Quantenzahlerhaltungen zulässig ist, tritt ein Zerfall auf.

Das Neutron hat eine höhere Masse, ~939 MeV als das Proton ~938, und Ladung und Leptonzahl können bei dem gezeigten Zerfall erhalten bleiben, daher geschieht es mit einer berechenbaren und messbaren Wahrscheinlichkeit. Dies sind die dominanten Diagramme für diese Reaktionen, die messbare Wahrscheinlichkeiten für den Verlauf der Reaktionen liefern.

Im Wechselwirkungsfall muss Energie zugeführt werden, um ein Neutron in ein Proton umzuwandeln (und nicht darauf warten, dass sich die Natur durch den Lebensdauerzerfall durchsetzt), und sie wird vom einfallenden Neutrino geliefert. In beiden Fällen befindet sich das W, das eine Masse von etwa 100 GeV hat, nicht auf seiner Massenhülle. Es ist ein virtueller Austausch, der die Quantenzahlen des W trägt, aber die vier ausgetauschten Vektoren haben nicht die Masse des W.

Das Boson dient als „Wechselwirkungspropagator“-Teilchen. Es ist nämlich kurzlebig und dient als "Träger" der schwachen Kraft, die den Beta-Zerfall regiert. Ähnliche Fälle gibt es bei den starken Wechselwirkungen, wo Qluonen diese Rolle spielen, oder beim Elektromagnetismus, wo die elektromagnetische Kraft durch Photonen vermittelt wird. Man muss nicht die Quantenfeldtheorie studieren, um einen Einblick in diese Dinge zu bekommen. Stattdessen wäre eine gute Lektüre von Yukawas Theorie und virtuellen Teilchen sehr hilfreich