Was passiert bei einer schwachen Wechselwirkung?

Für zB während β − Verfall a W − Boson wird emittiert und verwandelt ein Up-Quark in ein Down-Quark. Das erscheint mir sehr seltsam, da es so aussieht, als ob das Up-Quark nicht mit einem anderen Teilchen interagiert, sondern einfach plötzlich zerfällt, indem es ein Boson emittiert. Ist dieser Vorgang so etwas wie ein Elektron, das durch Emission von Photonen in einen niedrigeren Energiezustand fällt? Oder passiert da noch was. Und auf welche anderen Arten finden schwache Wechselwirkungen statt? Und ich habe keine Ahnung, was die Z Boson tut. Warum und wie interagieren Teilchen mit Z Bosonen?

Sie können es sich als drei Quantenfelder vorstellen, die an einem Punkt interagieren. Eine Anregung im Up-Quark-Feld wird durch Anregungen im Down-Quark-Feld und im W-Boson-Feld ersetzt. Sie unterscheidet sich nicht allzu sehr von Differentialgleichungen wie der von Maxwell, außer dass es zusätzlich zur Felddynamik eine Quantenunsicherheit gibt.
@MitchellPorter Also ist es so, dass es eine gewisse Wahrscheinlichkeit gibt, dass diese Konfiguration passiert und es passiert? Inwiefern ähnelt es dem von Maxwell – ist es genauso, wie eine Anregung im elektrischen Feld eine Anregung im magnetischen Feld erzeugt?
AZ-Boson ist der neutrale Träger der schwachen Kraft.

Antworten (1)

Das Universum ist von einem Haufen Quantenfelder durchdrungen. Diese sind fermionisch (wie das Elektronenfeld oder das Quarkfeld) oder bosonisch wie das elektromagnetische Feld A μ (das "Photon") oder die drei schwachen Wechselwirkungs-Eichfelder W ± Z 0 (Die " W + , W + , Z 0 Bosonen").

A μ ist im Kontext der Quantenfeldtheorie des Elektromagnetismus, QED genannt . Um auf die "klassischen" Konzepte elektrischer und magnetischer Felder zurückzukommen, A μ ist mit dem Faraday-Tensor verwandt , der enthält E Und B .

Zwischen den verschiedenen Feldern besteht immer eine endliche Chance ungleich Null . Wie Sie aus der Quantenmechanik wissen, ist das tatsächliche Ergebnis der Wechselwirkung wahrscheinlichkeitstheoretisch. Das heißt, Sie müssen eine "durchschnittliche" Zeit warten τ damit eine Interaktion stattfindet. In der Praxis bedeutet dies, dass eine große Menge wechselwirkender Teilchen gegeben ist N , zum Zeitpunkt τ eine Reihe von Partikeln N / e interagiert haben. Ist diese Zeit kurz, spricht man von einer starken Wechselwirkung, andernfalls von einer schwachen. Sie müssen im Durchschnitt lange warten, bis etwas passiert.

Eine schwache Wechselwirkung ist nur eine Art von Wechselwirkung.
Ein elektrisch geladenes Teilchen sieht das elektromagnetische Feld und kann mit ihm interagieren, indem es Photonen emittiert/absorbiert † die dann von anderen geladenen Teilchen absorbiert/emittiert werden können, was eine Anziehung/Abstoßung zwischen ungleichen und gleich geladenen Teilchen bewirkt.

Analog dazu haben einige Teilchen (eigentlich jedes existierende Teilchen) eine andere Ladung , die als schwacher Isospin bezeichnet wird . Dadurch können sie die schwachen Felder „sehen“ und mit ihnen interagieren, W ± Und Z 0 . Sie können emittieren/absorbieren † diese Bosonen, die dann in andere Teilchen zerfallen können - wie Sie es beim Beta-Zerfall beschrieben haben.

Der ± Und 0 beziehen sich auf die elektrische Ladung der schwachen Bosonen. Sie werden mit dem interagieren W oder der Z nach Ladungserhaltung.
In Ihrem Fall beginnen Sie mit einem Neutron (Ladung 0) und enden mit einem Proton, also brauchen Sie die W − um sicherzustellen, dass die Gesamtladung immer noch Null ist.

Zum Beispiel bei einem e − e + → μ − μ + Prozess, könnten Sie das Elektron und das Positron entweder in ein Photon oder in ein vernichten lassen Z 0 Boson, das dann in das Myonenpaar zerfällt.

† : Zu dieser Frage wären so viele technische Details hinzuzufügen. Von der Verbindung zwischen schwachem Isospin, schwacher Hyperladung und elektrischer Ladung bis hin zum Grund, warum es zwei gibt 3 schwache Felder und nur ein EM-Feld.

Außerdem ist das Bild, das ich verwendet habe (mea culpa), das von virtuellen Teilchen , dh Ladungen senden Photonen aus, die dann von anderen Teilchen absorbiert werden, wodurch die Wechselwirkung vermittelt wird.
Dies ist technisch falsch, obwohl das Verständnis davon ein Verständnis der Störungstheorie und der QFT erfordert.

Gute Antwort! In Bezug auf "Es gibt immer eine endliche Möglichkeit der Interaktion zwischen den verschiedenen Feldern" möchte ich OP zuliebe hinzufügen, dass hier das Wort "endlich" nicht wie in der Mathematik definiert ist (dh "kleiner als unendlich"), sondern wie üblich wie ihn Physiker verwenden, nämlich als "Nicht-Null".
Notiert. Ich habe es korrigiert.
@SuperCiocia Vielen Dank für die tolle Antwort! Ja, ich weiß ein wenig über die Unrichtigkeit des virtuellen Photonenbildes. Ist es also in Ordnung zu glauben, dass, wenn zwei Elektronen näher beieinander sind, eine größere Störung (und die Möglichkeit einer Störung?) im einfachsten Szenario)?
Das richtige Bild ist, dass QED eine Wechselwirkung mit großer Reichweite ist, geladene Teilchen also niemals "frei" sind, sondern immer interagieren. Sie müssten den vollständigen QED-Hamiltonian diagonalisieren, um die echten Eigenzustände des Systems zu finden, die eine sanfte Änderung von zeigen würden e e Zu μ μ (zum Beispiel), ohne dass das Photon "auf kurze Distanz" eingeführt werden muss. Dies ist nicht machbar, da es keine analytische Lösung gibt. Stattdessen betrachten Sie das EM-Feld als eine Störung, die nur in einem kleinen Raumbereich wirkt - daher die Scheitelpunkte in den Feynman-Diagrammen.
Es ist nicht intuitiv zu sehen, wie das Zeichen der Interaktion zustande kommt – also ob es anziehend oder abstoßend ist. Normalerweise müssen Sie die vollständige Berechnung durchführen, da das Vorzeichen der Ladungen nur das Gesamtzeichen des Matrixelements beeinflusst, das nicht direkt mit dem räumlichen Verhalten zusammenhängt. Siehe auch diese Antwort: physical.stackexchange.com/questions/189605/…
Außerdem müssen Sie für die meisten Dinge nicht einmal das EM-Feld quantisieren. Sie können einfach mit einem Quantenfermionfeld arbeiten und ein klassisches Feld annehmen A μ mit einem Kontinuum von Modi. Dies reicht beispielsweise aus, um die Maxwell-Gleichungen aus dem Lagrange-Formalismus des Standardmodells zurückzugewinnen. Sie müssen das EM-Feld quantisieren, wenn Sie die Emission/Absorption einzelner Photonen, dh einzelner Moden des Feldes, sehen möchten.
Danke noch einmal. Das fasst es irgendwie zusammen. Der Rest ist für mich, um die Mathematik zu studieren.
Ich möchte die Idee der „Wechselwirkung zwischen verschiedenen Feldern ungleich Null“ weiter verdeutlichen. Eines der wirklich schönen Dinge an der U(1)-Theorie ist, dass sie abelsch ist – die Eichbosonen selbst interagieren also nicht. Wenn Sie Skalar-/Fermion-Felder einführen, gibt es eine Wechselwirkung. Bei den nicht-abelschen Theorien (zB SU(2)) interagieren die Eichbosonen selbst (W^{\pm}, Z), ohne die anderen Felder auch nur zu erwähnen.
Wenn Sie eine U(1)-Theorie für ein Spin-1-Eichfeld schreiben, sehen Sie, dass es massiv sein muss, wenn Sie eichinvariant sein wollen. Dies war ein Problem mit massiven Vektor-Eichbosonen, das durch spontane Symmetriebrechung von SU(2)_L x U(1)_Y und den Higgs-Mechanismus gelöst wurde.
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