Sternengeschichten Folge 408: Die Schwache Wechselwirkung

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Sternengeschichten Folge 408: Die Schwache Wechselwirkung

Heute wird es mal wieder ein wenig fundamental in den Sternengeschichten. Es geht um eine der vier grundlegenden Kräfte im Universum mit denen sich alle bekannten Phänomene beschreiben lassen. Davon habe ich ja schon mal in Folge 46 mehr erzählt. Zwei dieser Kräfte kennen wir recht gut weil sie überall in unserem Alltag eine ganz direkte Rolle spielen. Die Gravitationskraft und die elektromagnetische Kraft. Wir spüren die Gravitation am eigenen Körper und treffen ständig auf Licht, elektrischen Strom und andere elektromagnetische Kräfte. Bleiben noch zwei Kräfte übrig und die sind etwas schwerer zu veranschaulichen. Sie treten nur innerhalb der Bausteine von Atomen auf und tragen die wenig originellen Namen „Schwache Kernkraft“ und „Starke Kernkraft“. Bei der starken Kernkraft kann man immerhin noch einigermaßen verständlich sagen, dass das die Kraft ist, die dafür sorgt, dass die Quarks aneinander kleben. Also die Elementarteilchen aus denen die gesamte Materie aufgebaut ist. Das kann man sich gut vorstellen: Teilchen und eine Kraft die die Dinger zusammenhält. Bei der schwachen Kernkraft schummelt man sich aber irgendwie immer ein bisschen durch und erklärt sie meistens mit „Das ist eine Kraft die bei radioaktiven Vorgängen eine Rolle spielt“. Was absolut richtig ist. Aber vorstellen kann man sich darunter auch nicht wirklich viel.

Was macht denn diese schwache Kraft nun genau? Eine „Kraft“ ist ja in unserer Vorstellung etwas, was zwei Dinge anzieht. Oder was ein Ding auf etwas anderes ausübt. Wer übt jetzt also die schwache Kernkraft aus? Auf was wird sie ausgeübt? Und warum?

Tatsächlich ist die schwache Kernkraft wirklich nicht sehr gut anschaulich beschreibar. Sie ist aber auch von enormer Bedeutung. Für die Astronomie. Und für uns alle. Ohne schwache Kernkraft würde die Welt ganz anders aussehen. Und vielleicht gar nicht da sein.

Fangen wir am besten mit ein bisschen Geschichte an. Bei der Entdeckung der Radioaktivität. Bzw. nicht genau dort, denn davon hab ich schon ausführlich in Folge 126 erzählt. Aber als man an der Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert festgestellt hat, dass es da ein Phänomen gibt, durch das sich chemische Elemente verwandeln können, hat man bei seiner Erforschung sehr schnell jede Menge andere Dinge entdeckt. Denn Radioaktivität ist ja genau das: Ein bestimmtes chemisches Element wird zu einem anderen chemischen Element. Das war komplett neu; so etwas war bis jetzt nur in den eher wirren Texten der Alchemie zu finden. In der echten Welt hat niemand damit gerechnet, das man aus einem Element ein anderes machen kann. Aber es kommt vor und es hat mit Atomkernen zu tun. Ich hab es ja schon oft im Podcast erzählt: Ein Atomkern kann aus zwei Arten von Bausteinen bestehen: Protonen und Neutronen. Die Anzahl der Protonen bestimmt um welches Element es sich handelt. Will man aus einem Element ein anderes machen, muss man also die Anzahl der Protonen in seinem Kern verändern. Das passiert oft auch ganz von selbst, bei Atomkernen bei denen die Anzahl der elektrisch positiv geladenen Protonen und der elektrisch ungeladenen Neutronen nicht ausgewogen genug ist. So ein Kern kann dann zerfallen, er kann sich in den Kern eines anderen Elements umwandeln und bei diesem Prozess wird Strahlung frei. Das ist Radioaktivität und genau die hat man zu Beginn des 20. Jahrhunderts intensiv erforscht.

Unter anderem den sogenannten Beta-Zerfall. Es gibt mehrere Arten wie Radioaktivität ablaufen kann. Es kann zum Beispiel ein Atomkern komplett auseinanderbrechen, vereinfacht gesagt. Die beiden Bruchstücke des Kerns sind dann andere chemische Elemente als der eine, größere Kern zuvor. Es hat sich ja die Anzahl der Protonen verändert. Und dabei wird meist auch ein Stück des ursprünglichen Kerns ganz aus dem Atom geschubst; das ist das was wir radioaktive „Alphastrahlung“ nennen.

Ein Atomkern kann sich aber auch anders radioaktiv umwandeln. Zum Beispiel wenn ein einziges Neutron im Kern plötzlich zu einem Proton wird. Das heißt Beta-Zerfall und danach hat der Kern ein Proton mehr als zuvor und wird zu einem anderen chemischen Element. Nur: Wie sollte eine Neutron zu einem Proton werden und warum? Irgendwas muss das Neutron dazu bringen, das zu tun. Es braucht eine Kraft die das tut und – Überraschung! – das ist die schwache Wechselwirkung.

Bis man eine Theorie aufstellen konnte um sie zu beschreiben hat es ein wenig gedauert. Man hat ja erst 1932 herausgefunden, dass es im Atomkern nicht nur Protonen gibt sondern auch Neutronen. Den Betazerfall selbst hatte man schon beobachtet bevor man die Neutronen kannte. Aber noch nicht so richtig kapiert was da abläuft. Vielleicht hat jemand bei meiner kurzen Beschreibung vorhin die Erwähnung der Betastrahlung vermisst? Die gibt es natürlich auch. Muss es auch geben. Denn immerhin wird beim Beta-Zerfall ja ein ungeladenes Neutron zu einem positiv geladenen Proton. Man kann in der Natur aber nicht einfach so mit elektrischen Ladungen rumspielen. Die gesamte Ladung eines Systems muss erhalten bleiben, genau so wie es bei der Masse oder der Energie ist, die ja auch immer erhalten bleiben muss. Wenn aber ein Neutron zu einem Proton wird, haben wir auf einmal eine positive Ladung zu viel. Die war vorher ja nicht da. Es muss bei dem Zerfall also auch noch irgendwo eine negative Ladung im Spiel sein, damit es insgesamt wieder neutral ist. Genau das ist die Betastrahlung: Bei Beta-Zerfall wandelt sich ein Neutron in ein Proton UND ein Elektron um. Das Elektron ist negativ geladen und fliegt davon, dass ist die Betastrahlung.

Ein bisschen was fehlt aber immer noch. Denn als man in den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts den Betazerfall untersucht hat, hat man gemerkt dass da irgendwie die Energieerhaltung nicht zu gelten scheint. Proton und Elektron haben weniger Energie gehabt als das Neutron zuvor. Was nicht sein kann, denn die Energiehaltung muss gelten. Also hat der Physiker Wolfgang Pauli 1930 behauptet: Es muss da noch ein Teilchen involviert sein; das Neutron muss sich in ein Proton, ein Elektron UND ein drittes Teilchen umwandeln und dieses dritte Teilchen hat die fehlende Energie des Systems. So ein Teilchen war damals nicht bekannt, aber man hat es 1956 entdeckt: Das Neutrino.

Jetzt haben wir zwar den Prozess komplett beschrieben – aber immer noch keine Theorie warum das so läuft. Der erste der konkret darüber nachgedacht hat war der italienische Physiker Enrico Fermi der 1934 eine mathematische Beschreibung des Beta-Zerfalls veröffentlicht hat, die qualitativ und in Übereinstimmung mit den damaligen Beobachtung recht gut erklärt hat, wie der Beta-Zerfall abläuft. Aber es war höchstens ein Vorläufer dessen, was heute als die Theorie der schwachen Wechselwirkung bekannt ist.

Ich werde jetzt nicht die ganze geschichtliche Entwicklung nacherzählen; das wäre definitiv zu viel. Man hat im Laufe der Zeit auf jeden Fall diverse andere radioaktive Prozesse neben dem Beta-Zerfall entdeckt die durch die schwache Wechselwirkung ausgelöst werden. Und dann auch entdeckt, dass Protonen und Neutronen keine Elementarteilchen sind, sondern aus weiteren Teilchen bestehen, den Quarks. Von denen gibt es sechs verschiedenen Arten, wichtig sind hier vor allem die „up“-Quarks und die „down“-Quarks. Ein Neutron besteht aus einen Up und zwei Downs, ein Proton aus zwei Ups und einem Down. Beim Betazerfall wird also genaugenommen gar kein Neutron zu einem Proton. Sondern ein Down-Quark zu einem Up-Quark.

In der modernen Beschreibung der Quantenmechanik gibt es zu jeder Kraft ein oder mehrere Teilchen die diese Kraft vermitteln. Genauer gesagt: Jede Kraft wird durch ein Kraftfeld vermittelt und die zur Kraft gehörenden Teilchen entstehen, wenn man genug Energie in so ein Feld steckt, wie ich in Folge 247 genauer erklärt habe. Es gibt etwa ein elektromagentisches Feld und wenn man das mit ausreichend Energie anregt, kriegt man ein Photon, also ein „Lichtteilchen“, genau das Teilchen das dafür verantwortlich ist, die elektromagnetischen Kräfte zwischen zwei elektrisch geladenen Teilchen zu übermitteln. Bei der schwachen Kernkraft ist es genau so. Hier gibt es aber nicht ein Teilchen sondern gleich drei.

Wenn man aus einem Neutron ein Proton macht, muss irgendwo eine zusätzliche negative Ladung ins Spiel kommen, damit alles ausgeglichen bleibt. Es braucht also ein elektrisch negativ geladenes Teilchen, dass den Austausch vermittelt und am Ende aus dem Neutron ein Proton und ein Elektron macht. Außerdem gibt es den umgekehrten Prozess ja auch: Aus einem Proton kann über die schwache Kraft auch ein Neutron werden; hier muss eine zusätzliche positive Ladung freigesetzt werden und es braucht ein elektrisch positiv geladenes Teilchen das diese Kraft vermittelt. Bei der schwachen Wechselwirkung heißen diese Teilchen W+ und W-. Oder ganz offiziell: W+-Boson und W–Boson. Aus Gründen der mathematischen Symmetrie braucht es auch noch ein drittes Kraftteilchen das keine elektrische Ladung trägt und das heißt Z0-Boson.

Die geladenen W-Bosonen vermitteln eine Kraft die zwischen Teilchen wirkt und dabei die Art des Teilchens verändert: Aus einem Up-Quark kann durch sie ein Down-Quark werden oder umgekehrt. Das Z0-Boson macht etwas, das uns ein wenig vertrauter ist: Es vermittelt eine Kraft zwischen den Teilchen, ohne ihre Art zu ändern. So wie zum Beispiel das Photon eine Kraft zwischen zwei elektromagnetisch geladenen Teilchen vermitteln kann, kann das auch das Z0-Boson. Das Z0-Boson kann darüber hinaus aber auch zwischen elektrisch ungeladenen Teilchen wirken, weil es eben eine andere Kraft überträgt und nicht die elektromagnetische Kraft. Über die schwache Kernkraft können daher auch elektrisch neutrale Teilchen wie die Neutrinos miteinander wechselwirken. Die Neutrinos wirken überhaupt NUR über die schwache Kraft mit dem Rest der Teilchenwelt (was auch der Grund dafür ist, dass sie so enorm schwer zu messen sind).

Ich habe vorhin gesagt, dass die schwache Kraft eine andere Kraft ist als die elektromagnetische Kraft. Was nicht ganz richtig ist… 1968 hat man festgestellt, dass Elektromagnetismus und die schwache Kraft zwar auf den ersten Blick völlig anders erscheinen. Aber tatsächlich nur zwei unterschiedliche Ausprägungen von ein und demselben Phänomen sind. Genau so wie man früher Elektrizität und Magnetismus für ganz unterschiedliche Sachen gehalten und erst später gemerkt hat, dass es sich in beiden Fällen immer um Elektromagnetismus handelt; dass Elektrizität und Magnetismus also untrennbar zusammenhängen. Nun hatte man festgestellt, dass man auch Elektromagnetismus und schwache Kraft unter einem Dach zusammenfassen und beide gemeinsam durch eine „elektroschwache Kraft“ beschreiben kann. Dass uns beide Kräfte heute so verschieden vorkommen liegt nur daran, dass das Universum schon alt ist. Früher, als es noch extrem jung (nur Sekundenbruchteile alt), klein und voller Energie war, gab es diesen Unterschied nicht. Sehr vereinfacht gesagt: Damals steckte überall so viel Energie drin, dass es keinen Unterschied zwischen einem Photon und einem Z0-Boson gab. Die beiden Teilchen verhielten sich gleich und damit gab es auch keine Unterschiede zwischen den durch sie vermittelten Kräften. Erst als das Universum kühler wurde, hat sich alles geändert. Das Photon zum Beispiel ist ein Teilchen ohne Ruhemasse. Es saust immer mit Lichtgeschwindigkeit durch die Gegend – und die elektromagnetische Kraft hat deswegen eine unendlich große Reichweite. Das Z0-Boson dagegen hat eine recht große Masse. Es kommen nicht weit, genau so wie die W-Bosonen mit ebenfalls viel Masse, und deswegen ist die Reichweite der schwachen Kraft sehr klein und auf das Innere von Atomen begrenzt. Dass das Photon keine Masse hat, das Z0-Boson aber bei der Abkühlung des Kosmos eine recht große bekommen hat liegt am berühmten Higgs-Mechanismus, den ich jetzt nicht im Detail erklären kann – was ich ja auch schon in Folge 47 getan habe.

Wenn man will, kann man sich das Z0-Boson also als eine Art von „schwerem Licht“ vorstellen und die schwache Kernkraft als eine seltsame Art von Elektromagnetismus die nicht nur zwischen Teilchen wirkt, sondern diese Teilchen auch grundlegend verändern kann. Aber vermutlich verwirrt diese Vorstellung mehr als sie nützt. Die schwache Kraft ist eben nunmal nicht anschaulich vorstellbar; wir können sie nicht direkt in unserem Alltag beobachten. Indirekt aber schon! Dazu müssen wir nur zum Himmel schauen: Egal ob es die Sonne am Tag ist oder die Sterne in der Nacht – all diese Himmelskörper leuchten dank der schwachen Kernkraft.

In der Sonne wird Wasserstoff zu Helium fusioniert und bei dieser Kernfusion wird Energie frei. Das ist der Grund warum die Sonne scheint, das habe ich so oder so ähnlich schon oft erzählt. Wie so oft ist aber alles ein wenig komplexer. Man kann nicht einfach zwei Wasserstoffatome zusammenklatschen und direkt Helium daraus machen. Da sind jede Menge Zwischenschritte involviert und ganz besonders wichtig ist der erste Schritt. Alles geht mit zwei Protonen los. Ein Proton ist ja nichts anders als der Kern eines Wasserstoffatoms; mehr gibts da nicht im Kern. Aus zwei Protonen wird der Kern eines Deuteriumatoms. Deuterium ist auch Wasserstoff, nur eine etwas andere Art. Anstatt nur einem einzigen Proton als Kern hat Deuterium einen Kern der aus einem Proton und einem Neutron besteht. Wer aufgepasst hat wird merken, dass da was nicht stimmen kann: Wie soll aus zwei Protonen ein Kern aus einem Proton und einem Neutron werden? Das geht nur, wenn sich ein Proton in ein Neutron umwandelt, wenn also ein umgekehrter Beta-Zerfall stattfindet. Ein Proton muss im Inneren der Sonne auf ein anderes Proton treffen, das gerade durch die schwache Kernkraft zu einem Neutron wird. Nur dann können sie sich zu einem Deuteriumkern verbinden. Mit dem müssen dann noch diverse andere Dinge passieren damit am Ende Helium entsteht. Aber dieser Startschritt muss auf jeden Fall stattfinden. Womit wir jetzt spät aber doch beim Namen der schwachen Kraft sind. Die wird unter anderem deswegen „schwach“ genannt, weil die Kernreaktionen die durch sie auftreten vergleichsweise selten auftreten. Im Schnitt dauert es 10 Milliarden Jahre bis zwei Protonen zu einem Deuteriumkern werden. Zum Glück gibt es in der Sonne SEHR, SEHR viel Protonen so dass immer ausreichend viele miteinander reagieren. Wäre die schwache Kraft stärker, dann würden die Protonen aber viel öfter und schneller miteinander reagieren. Was nichts anderes heißt als: Die Sonne würde sehr viel schneller brennen. Und ihr Brennstoff wäre sehr viel schneller aufgebraucht.

Unser Stern beleuchtet die Erde jetzt schon seit 4,5 Milliarden Jahren. Und wird das noch 5 bis 6 weitere Milliarden Jahre tun. Das geht nur, weil die Kernfusion nur dank der schwachen Wechselwirkung stattfindet und diese Kraft schwach ist. Nur darum gibt es auf der Erde so viel Sonnenenergie über einen so langen Zeitraum. Nur darum war auch genug Zeit, dass sich auf der Erde lebensfreundliche Bedingungen einstellen konnten und das sich dann auch Leben entwickelt hat. Es hat ein bis zwei Milliarden Jahre gedauert bis das erste Leben auf der Erde aufgetaucht ist und noch mal mehr als zweieinhalb Milliarden bis am Ende so was ähnliches wie wir Menschen entstanden sind.

Wir spüren die schwache Wechselwirkung nicht. Aber ohne sie würde es uns nicht geben.

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Im Podcast erwähnte weiterführende Folgen:

• Folge 46
• Folge 47
• Folge 126
• Folge 247