7 - Vereinigung von elektromagnetischer und schwacher Kraft

Unter den Bedingungen des täglichen Lebens, wozu auch die Kernphysik gezählt werden soll, unterscheiden sich die Stärken von starker und schwacher Kraft gewaltig. Deshalb war es ein wichtiger Meilenstein in unserem Wissen über die Elementarteilchenphysik, dass trotzdem elektromagnetische und schwache Wechselwirkung auf dieselbe Quelle zurückgeführt werden können (Vereinigung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung).

S.L.Glashow, Abdus Salam und S.Weinberg, Nobelpreis 1979, für Arbeiten zur Vereinigung der elektromagnetischen und schwachen Kraft.
© The Nobel Foundation

Die Theorie sagt nun voraus, daß die beiden Kräfte bei HERA-Energien gleich stark werden. Um das zu prüfen, muß man die Reaktionsraten der beiden Reaktionen ep --> eX und ep --> Neutrino X vergleichen, wobei X für die restlichen erzeugten Teilchen steht. Die erste Reaktion ist elektromagnetischer Art (im Quarkbild eq --> eq ), die zweite erfolgt nur aufgrund der schwachen Kraft, wie man aus dem Auftreten des Neutrinos schließen kann (im Quarkbild eq --> Neutrino q ). Diese letztere Reaktion wurde in dieser Form an HERA zum erstenmal beobachtet; die Abbildung zeigt ein Beispiel.

Reaktion e q -> neutrino q

Reaktion eq --> Neutrino q im ZEUS-Detektor. Die linke Graphik zeigt die zugrundeliegende Reaktion, bei der ein Elektron von HERA ein Quark im Proton trifft, und sich dabei (schwache Wechselwirkung) in ein (unsichtbares) Neutrino verwandelt. Das Quark wird herausgeschleudert und erscheint als ein Jet von Mesonen. Diese Art der Reaktion wurde erstmals mit HERA beobachtet.

Die Messungen an HERA zeigen nun erstmals direkt, dass bei diesen hohen Energien die elektromagnetische und die schwache Kraft in der Tat gleich stark werden: Die Abbildung zeigt, dass die Reaktionsraten der beiden obengenannten Reaktionen, die ein direktes Maß für die Stärke der Kräfte sind, bei den höchsten Energien gleich werden.

Vergleich der Wirkungsquerschnitte für die
Reaktionen NC und CC

Vergleich der Reaktionsraten, ausgedrückt in den Wirkungsquerschnitten, für die Reaktionen ep --> eX (Neutraler Strom) und ep --> Neutrino X (Geladener Strom). Die beiden Reaktionen sind ähnlich, nur verläuft die erste gemäss der elektromagnetischen, die zweite gemäss der schwachen Wechselwirkung. Bei grossen Werten der Energie, hier dargestellt durch Q², treten die beiden Prozesse gleich häufig auf.

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