Die schwache Kernkraft wird durch drei verschiedene Bosonen übertragen. Zwei davon sind die elektrisch geladenen W-Bosonen, das dritte ist das neutrale Z-Boson. Auch das Photon hat Anteil an der schwachen Kernkraft.
In der theoretischen Physik müssen die elektromagnetische Kraft und die schwache Kernkraft gemeinsam als elektroschwache Wechselwirkung behandelt werden.
In dieser Theorie werden zunächst zwei Klassen von Bosonen definiert. Die W-Bosonen treten in drei Arten auf und können positiv (W+), negativ (W-) und elektrisch neutral (W0) sein. Ein viertes Teilchen wird in einigen Büchern mit B bezeichnet und ist elektrisch neutral. Die vier Bosonen sind zunächst masselos wie das Photon und die W-Bosonen verhalten sich alle gleich.
Zusätzlich wird eine Wechselwirkung mit einem weiteren Feld, dem Higgs-Feld angenommen. Diese Interaktion sorgt dafür, dass die geladenen W-Bosonen Masse bekommen und neutrale W-Bosonen mit B-Bosonen vermischt werden. Bei der Mischung ergibt sich das Photon als masseloser Überträger der elektromagnetischen Kraft und das Z-Boson als von den W-Bosonen verschiedenes Teilchen mit etwas höherer Masse als die W-Bosonen. Das Aufbrechen der drei völlig symmetrischen, masselosen W-Bosonen in zwei massive W-Bosonen und ein Z-Boson wird als spontane Symmetriebrechung bezeichnet.
Die beiden elektrisch geladenen W-Bosonen können bestimmte Teilchenumwandlungen erzeugen. Hier ist es wichtig festzustellen, dass eine Kraft in der Elementarteilchenphysik nicht nur den Bewegungszustand von Teilchen, sondern auch deren Charakter ändert.
So kann durch Abgabe eines negativ geladenen W-Bosons ein Down-Quark, das sich im Neutron befindet, in ein Up-Quark umgewandelt werden. Das W-Boson kann dann in ein Paar aus Elektron und Anti-Neutrino zerfallen. Insgesamt ergibt das den Beta-Zerfall, der das Neutron in ein Proton umwandelt. Der Beta-plus-Zerfall wird dagegen durch ein positives W-Boson vermittelt, funktioniert aber sonst identisch.
Auf ähnliche Weise kann auch ein Betazerfall durch Neutrinostrahlen ausgelöst werden. Dabei tauscht ein einfliegendes Neutrino mit dem Down-Quark aus dem Kern ein geladenes W-Boson aus. Das W-Boson vermittelt die gleichzeitige Umwandlung des Neutrinos in ein Elektron und des Down-Quarks in ein Up-Quark. Der Vorgang überträgt also neben Kräften auch Ladungen.
Eine wichtige Vorhersage der schwachen Wechselwirkung ist, dass es neben dem Photon ein weiteres nicht geladenes Teilchen gibt, das Kräfte übertragen kann. Würde man annehmen, dass das Photon das einzige neutrale Boson ist, so kämen in der Theorie unrealistisch hohe Werte für Wechselwirkungen bei hoher Energie heraus. Die Theorie wäre nicht stimmig und würde zu unendlichen Messwerten führen. Die Annahme eines zweiten, massiven Z-Bosons kann die hohen Werte kompensieren und ist so unbedingt zum Funktionieren der Theorie notwendig. Das Z-Boson wurde vor seiner Entdeckung durch die Theorie postuliert.
Das Z-Boson unterscheidet sich von dem Photon durch seine hohe Masse. Z-Bosonen spielen beim Zerfall ungeladener Mesonen, z.B. der Kaonen eine Rolle. Sie können Stoßprozesse vermitteln, bei denen nicht beide Teilchen elektrisch geladen sind. So kann über über das Z-Boson ein Neutrino an einem Elektron gestreut werden.
Das Z-Boson trägt auch zu Teilchenreaktionen bei, die von dem Photon ausgelöst werden, also zu Paarbildungen und Paarvernichtungen geladener Teilchenpaare wie Myonen.
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Letzte Änderung: 03.08.2012