How big is Reichweite der schwachen Wechselwirkung?

Die schwache Wechselwirkung ist eine der vier Grundkräfte der Natur und wirkt nur über sehr kurze Entfernungen. Ihre Reichweite, also die Entfernung, die sie erreichen kann, beträgt etwa 10⁻¹⁸ Meter, also 1 Attometer. Das ist weniger als ein Tausendstel der Breite eines Protons.

Entfernung

Ein Attometer ist 10⁻¹⁸ Meter, ein Milliardstel eines Milliardstel Meters. Die Schreibweise 10⁻¹⁸ bedeutet 1 geteilt durch eine 1 mit 18 Nullen dahinter. Die Reichweite ist keine Grenze, die je jemand mit einem Messgerät bestimmt hat. Sie ist ein Schätzwert, der aus der Masse der kraftvermittelnden Teilchen berechnet wird.

Die schwache Wechselwirkung wird von Teilchen vermittelt, die W- und Z-Bosonen genannt werden. Sie sind schwer: Ein W-Boson hat etwa die 86-fache Masse eines Protons, ein Z-Boson etwa die 97-fache. Die Quantenphysik erlaubt einem kraftvermittelnden Teilchen nur ein kurzes Bestehen, und je schwerer das Teilchen, desto kürzer dieser Moment.

Selbst mit nahezu Lichtgeschwindigkeit legt ein W-Boson in dieser Zeit nur etwa 2 × 10⁻¹⁸ Meter zurück, wie es im Lehrbuch University Physics Volume 3 heißt. CERN, das europäische Labor für Teilchenphysik, rundet die Reichweite auf etwa 10⁻¹⁸ Meter. Dort heißt es zudem, dass die Kraft jenseits des Radius eines einzelnen Protons vollständig verschwindet.

Größenvergleiche

Ein Proton, etwa 1,7 Femtometer (1,7 × 10⁻¹⁵ Meter) groß, ist etwa 1.700-mal so breit wie die Reichweite der schwachen Wechselwirkung.
Die starke Wechselwirkung, die Quarks in Protonen und Neutronen zusammenhält, reicht etwa 10⁻¹⁵ Meter weit, also etwa 1.000-mal so weit wie die schwache Wechselwirkung.
Experimente haben ergeben, dass ein Quark, falls es überhaupt eine Größe hat, kleiner als etwa 8,6 × 10⁻¹⁹ Meter ist, etwas weniger als die Reichweite der schwachen Wechselwirkung.
Wäre die Reichweite der schwachen Wechselwirkung auf die Breite eines menschlichen Haares vergrößert, also etwa 0,1 Millimeter, wäre ein Proton etwa 17 Zentimeter groß und ein Wasserstoffatom etwa 11 Kilometer groß.

Was die schwache Wechselwirkung bewirkt

Die schwache Wechselwirkung kann eine Quark-Sorte in eine andere umwandeln. So wird beim Betazerfall, einer Art radioaktivem Zerfall, aus einem Neutron ein Proton. Das Neutron gibt ein W-Boson ab und wird dabei zu einem Proton, und das W-Boson zerfällt anschließend in ein Elektron und ein Antineutrino.

Die schwache Wechselwirkung kann auch ein Proton in ein Neutron umwandeln. Das geschieht im ersten Schritt der Kernfusion, die die Sonne antreibt. Zwei Protonen verschmelzen, und eines von ihnen wird zu einem Neutron, wodurch Deuterium entsteht, eine schwere Form von Wasserstoff. Neutrinos spüren nur die schwache Wechselwirkung und die Schwerkraft, und die meisten durchqueren einen ganzen Planeten, ohne aufgehalten zu werden.

Obwohl sie schwach genannt wird, ist diese Kraft viel stärker als die Schwerkraft. CERN erklärt, dass sie im Grunde genauso stark wie die elektromagnetische Kraft ist und nur deshalb schwach wirkt, weil die schweren W- und Z-Bosonen ihre Reichweite begrenzen.

Die Suche nach den W- und Z-Bosonen

Enrico Fermi stellte 1933 die erste Theorie der schwachen Wechselwirkung auf. In den 1960er-Jahren schlugen Sheldon Glashow, Abdus Salam und Steven Weinberg vor, dass die schwache und die elektromagnetische Kraft zwei Formen einer einzigen elektroschwachen Kraft sind. Ihre Theorie sagte die W- und Z-Bosonen voraus und, zusammen mit früheren Experimenten, auch deren Massen.

Um die Bosonen zu erzeugen, bauten Physiker am CERN den größten Beschleuniger des Labors zu einer Maschine um, die Protonen mit Antiprotonen kollidieren ließ. Die Experimente UA1 und UA2 beobachteten dort 1983 beide Teilchen zum ersten Mal, mit den vorhergesagten Massen. Carlo Rubbia und Simon van der Meer erhielten für diese Entdeckung 1984 den Nobelpreis für Physik.