Elektroschwache
Vereinigung

Beta-Zerfall und die schwache Wechselwirkung

Die schwache Kernkraft ist für den Beta-Zerfall verantwortlich — den Prozess, bei dem ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino zerfällt. Dies geschieht, weil ein Down-Quark im Neutron durch ein W⁻-Boson in ein Up-Quark umgewandelt wird. Die schwache Kraft ist die einzige Kraft, die die Flavour-Symmetrie der Quarks bricht — also verschiedene Quarksorten ineinander umwandeln kann.

Die Reichweite der schwachen Kraft ist extrem kurz — nur etwa 10⁻¹⁸ Meter, weit kleiner als ein Proton. Das liegt an der großen Masse ihrer Trägerbosonen: W⁺, W⁻ und Z⁰. Diese Masse ist der direkte Fingerabdruck der Higgs-Symmetriebrechung. Bei niedriger Energie wirkt die schwache Kraft daher punktförmig — Fermi beschrieb sie so in seiner Theorie des Beta-Zerfalls von 1934, ohne zu wissen, dass massereiche Bosonen dahintersteckten.

Eine weitere Besonderheit der schwachen Kraft: Sie ist maximal paritätsverletzend. Sie koppelt ausschließlich an linkshändige Fermionen und rechtshändige Antifermionen. Rechtshändige Quarks und Elektronen nehmen nicht an der schwachen Wechselwirkung teil. Diese maximale Paritätsverletzung war eine der größten Überraschungen der Teilchenphysik des 20. Jahrhunderts.

W- und Z-Bosonen

Die W- und Z-Bosonen wurden 1983 am CERN-Proton-Antiproton-Collider (SppS) entdeckt — genau bei den Massen, die die elektroschwache Theorie vorhergesagt hatte. Carlo Rubbia und Simon van der Meer erhielten dafür 1984 den Nobelpreis. Es war ein triumphaler Beweis der Vorhersagekraft der Theorie.

Glashow, Salam, Weinberg — eine Kraft aus zweien

In den 1960er Jahren entwickelten Sheldon Glashow, Abdus Salam und Steven Weinberg unabhängig voneinander eine Theorie, die Elektromagnetismus und schwache Kraft in einem gemeinsamen Rahmen beschreibt. Die Grundidee: Beide Kräfte sind Manifestationen einer einzigen SU(2)×U(1)-Eichsymmetrie, die beim Urknall gebrochen wurde.

Oberhalb einer Energieskala von etwa 100 GeV — erreichbar in modernen Beschleunigern — verhalten sich W- und Z-Bosonen wie masselos und werden vergleichbar mit Photonen. Elektromagnetismus und schwache Kraft werden dann ununterscheidbar. Bei niedrigen Energien (im Alltag) bricht die Higgs-Symmetriebrechung diese Einheit auf: W und Z erhalten Masse, die Reichweite der schwachen Kraft kollabiert, und die zwei Kräfte erscheinen radikal verschieden.

Das Rätsel der Neutrinomasse

Im ursprünglichen elektroschwachen Standardmodell sind Neutrinos masselos — sie existieren nur in linkshändiger Form und koppeln ausschließlich an die schwache Kraft. Doch Neutrino-Oszillationsexperimente (SNO, Super-Kamiokande, Nobelpreis 2015) zeigten: Neutrinos wechseln zwischen ihren drei Flavour-Typen — das ist nur möglich, wenn sie Masse haben.

Diese Neutrinomasse ist nicht im Standardmodell enthalten. Sie deutet auf eine Erweiterung hin — möglicherweise rechtshändige "sterile" Neutrinos, die nicht an die schwache Kraft koppeln, oder einen sogenannten Seesaw-Mechanismus, der die sehr kleinen Neutrinomassen aus einer sehr großen neuen Massenskala erklärt. Die absolute Masse der einzelnen Neutrinos ist bis heute nicht präzise bekannt: Direkte Messungen (KATRIN, 2025) setzen eine obere Grenze von 0,45 eV/c² für die effektive Elektron-Neutrino-Masse, während kosmologische Beobachtungen (Planck, DESI) die Summe der drei Neutrino-Massen deutlich stärker auf unter etwa 0,07–0,12 eV/c² einschränken. Beides sind obere Grenzen — dass die Massen größer als null sind, folgt aus den Oszillationsexperimenten, nicht aus einer direkten Massenmessung.