Die schwache Wechselwirkung -
Die Paritätsverletzung
Eine weitere Eigenschaft der schwachen Wechselwirkung unterscheidet sie deutlich von der starken und elektromagnetischen
Wechselwirkung:
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Schwache Prozesse verletzen die sogenannte Raumspiegelungs- Symmetrie (Raumumkehrsymmetrie bzw. Parität). |
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1924 begründete der Physiker Wigner die Tatsache, dass ein Atom mindestens zwei Anregungszustände besitzt, mit der Invarianz
der beschreibenden
Wellenfunktion
Y
bezüglich
der sogenannten Raumumkehr (
Paritätsoperation
).
Was bewirkt die Paritätsoperation bzw. Raumumkehr?
Bei der Paritätsoperation wechseln alle Koordinaten
ihr Vorzeichen.
Das entspricht geometrisch einer Punktspiegelung am Ursprung.
Ein Punkt mit den
Koordinaten
(x, y, z)
wird zu
(-x, -y, -z). Geschwindigkeits- und Impulsvektoren drehen sich um.
Der Windungssinn einer Schraube, die
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sog.
Helizität,
dreht sich um. Aus einer Rechts- wird eine Linksschraube.
Allgemein:
Polare Vektoren (üblicherweise nur
als Vektoren bezeichnet) ändern ihr Vorzeichen.
Manche Größen (r, p und L bezeichnen Vektoren!)
bleiben aber auch gleich, z.B. der
Drehimpuls
L = r
x
p. Er ist das Vektorprodukt des Orts- und Impulsvektors (r und p). Da r und p ihre Vorzeichen ändern, bleibt das Produkt gleich. Der Drehimpulsvektor bleibt also
unter der Paritätsoperation unverändert. Da der
Spin
eines Teilchens als Eigendrehimpuls interpretiert werden kann, bleibt auch
er
unverändert
.
Allgemein:
Axiale Vektoren bleiben unverändert. |
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In der Physik galt bis 1956 folgendes Prinzip
(
Paritätsinvarianz
):
Naturgesetze
sind bezüglich der Paritätsoperation invariant.
Das bedeutet, dass ein physikalischer Prozess auch dann gleich bleibt, wenn die Paritätsoperation durchgeführt wird, d.h der raumgespiegelte
Prozess betrachtet wird. Man sollte also einen
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Prozess von seinem raumgespiegelten "Partner"
nicht unterscheiden können. Für die elektromagnetische und starke WW gilt die Paritätsinvarianz. Folgendes Experiment von Wu, Ambler, Hayward, Hoppes und Hudson aus dem Jahr 1957 zerstörte allerdings den Glauben der Physiker an die Paritätsinvarianz bei
der schwachen Wechselwirkung
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Das
Experiment von Wu et al.:
Kobalt-60 (
60
Co)
ist ein
b
-
-Strahler, er emittiert also Elektronen. Aus der Paritätsinvarianz folgt, dass die Zählrate für emittierte Elektronen in eine Richtung parallel
zum Kernspin genauso groß sein sollte, wie die in die entgegengesetzte.
In rechter Abbildung ist das Prinzip des Experiments dargestellt, die
60
Co-Probe
ist
polarisiert.
zu
1.
:
Die Kernspins (J)
sind nach oben ausgerichtet. Der
Zähler
registriert die emittierten Elektronen mit dem Impuls
p
Elektron
.
Nun wird die
Paritätsoperation
durchgeführt.
Die raumgespiegelte Situation zeigt die
2.
Skizze.
zu
2.
:
Durch die
Paritätsoperation
drehen sich alle
polaren Vektoren
(hier nur
p
Elektron
)
um.
Der
axiale
Vektor J bleibt
unverändert
. Der Zähler müsste, wenn der Prozess der Elektronenemission invariant gegenüber der Paritätsoperation ist, die gleiche Zählrate
liefern, wie bei
1.
.
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zu
3.
: In dem Experiment von Wu hat man aus experimentellen Gründen zum Vergleich
mit
1.
nicht den
2.
Aufbau benutzt, sondern einfac
h die Kernspins J
entgegengesetzt ausgerichtet
.
So konnte derselbe Zähler verwendet werden. Man beachte, dass
2.
und
3.
zwar um 180° gedreht, prinzipiell aber identisch sind. Das Ausrichten der Kernspins erfolgte durch ein starkes Magnetfeld B, zum Umdrehen der Kernspins musste es nur umgedreht werden
(B
â
bei
1.
und B
á
bei
3.
; die Kernspins richten sich entgegen dem äußeren Magnetfeld aus,
vergleiche die beiden Abb. o. und u.).
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Das Ergebnis war für viele Physiker niederschmetternd. Die Zählrate
von
1.
war deutlich höher als die von
3.
. Die Polarisierung der
60
Co-Kerne
erforderte, dass die
60
Co-Probe auf 0,01 K abgekühlt wurde. Da sie sich langsam "erwärmte", verlor die Probe an Polarisierung, so dass sie nach wenigen Minuten unpolarisiert
war. Die
relative Zählrate (Quotient aus Zählrate (polarisiert) und Zählrate (unpolarisiert)) geht daher im Diagramm gegen den Wert
1 (siehe Abb. rechts).
Entscheidend ist, dass die Zählraten im polarisierten Zustand (zu Beginn |
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der Messung)
unterschiedlich waren.
Das war ein schlagender Beweis für einen Prozess, der
nicht invariant
gegenüber der Paritätsoperation ist. Man spricht daher von
Paritätsverletzung
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Mittlerweile gibt es eine Reihe weiterer
Beispiele
für die Paritätsverletzung bei schwachen Wechselwirkungen. Eines ist der
Zerfall des Müons
:
m
-
à
n
m
+
e
-
+
n
e
Die Müonen werden
polarisiert und man untersucht, in welche Richtung die Elektronen emittiert werden. Falls die Paritätsinvarianz gilt, müssen in zwei entgegengesetzte Richtungen gleich
viele Elektronen emittiert werden.
Im Experiment zeigt
sich aber, dass die Elektronen
bevorzugt entgegen
ihrer Spinrichtung
emittiert werden.
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Die Leptonen besitzen alle den Spin 1/2. Die Spins der Neutrinos sind entgegengesetzt ausgerichtet
(
â
und
á
), sie heben sich also auf. Aufgrund der Spinerhaltung muss das emittierte
Elektron die gleiche Spinrichtung wie das Müon besitzen (hier beide
á
). In der Abb. links sind die beiden möglichen Szenarien dargestellt.
Die
Paritätsoperation
dreht wieder die
Flugrichtungen
(
polare Geschwindigkeits- vektoren)
um, lässt aber die Spins (
axiale Vektoren der Eigendrehimpulse)
unverändert. Der
2.
Zerfall, bei dem die Elektronen- flugrichtung entgegengesetzt zum Spin ist, das Elektron
also
linkshändig ist, wird
bevorzugt
. Der
1.
Zerfall mit dem
rechtshändigen
Elektron ist
unterdrückt
. Diese
Unsymmetrie zwischen rechts und links stellt die
Paritätsverletzung
dar.
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(siehe dazu
und
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