Leichte Teilchen

Auf dieser Seite werden Umwandlungen bzw. Zerfälle von leichten Teilchen unterhalb der Masse des Protons dargestellt. Die Grenze zwischen leichten und schweren Teilchen bildet das Proton. Unterhalb dieser Grenze erfolgt ein vollständiger stofflicher Zerfall der Teilchen in Elektronen und/oder Positronen und Energie, Teilchen oberhalb zerfallen nur bis zum Proton oder einen stabilen Kern, wobei leichte Teilchen und Energie freigesetzt werden.

 

Zur Klassifikation der Teilchenumwandlungen

 

Alle Teilchenumwandlungen sind an einer Energiefreisetzung oder besser: Energietönung zu erkennen. Auch Energieaufnahme ist möglich! In vielen Fällen werden auch Teilchen emittiert. Die Merkmale Energietönung, nachweisbare stoffliche Veränderung oder zeitliche Dauer einer Umwandlung sind allein nicht hinreichend zur Klassifikation der Teilchenumwandlungen. Wesentlich ist die Erkenntnis der tatsächlich ablaufenden Prozesse. Eine ursächliche Klassifikation der Teilchenwechselwirkungen wird in der folgenden Abbildung gegeben.

 

Abb. 3.1: Klassifikation der Teilchenumwandlungen

 

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Jede beobachtbare Teilchenumwandlung bzw. Wechselwirkung lässt sich in eine der sechs farbig markierten Klassen einordnen. Es kann gezeigt werden, dass die bisherige Dreiteilung der Wechselwirkungen nicht hinreichend ist, dass Überschneidungen auftreten und dass die von der Theorie vermuteten drei Kräfte als Ursachen der unterschiedlichen Zerfälle unzutreffend sind.

 

Teilchenumwandlungen können als einfache Neuordnung von Subteilchen in eine stabilere Anordnung ablaufen. Diese Abläufe sind sehr schnell, weil keine tiefgreifenden Umwandlungen auf substruktureller Ebene stattfinden. In die Kategorie der einfachen Neuordnungen gehören die bisher als „starke Wchselwirkung“ bezeichneten Prozesse.

Im Umwandlungsprozess kann eine Annihilation von Elektron/Positron auf Teilchenebene (bzw. in der Teilchenstruktur) ablaufen oder es werden angeregte Zustände abgebaut. Da es hierbei zu Veränderungen in der Substruktur kommt, wird ein längerer zeitlicher Rahmen beansprucht. Die bisher als „elektromagnetische WW“ bezeichneten Prozesse gehören hierher. (Oft wird ein elektromagnetischer Impuls sichtbar, der durch eine einfache substrukturelle Neuordnung ausgelöst wird, wie z.B. nach einem β-Zerfall).

Teilchenumwandlungen, die bis auf die elementare Stufe von Elektron und/oder Positron führen, sind die tiefgreifendsten Umwandlungen. Sie sind auf die Umwandlung von einzelnen Subteilchen zurückzuführen, die eine nachfolgend eine strukturelle Umwandlung des Teilchens oder Kerns nach sich ziehen. Es ist ersichtlich, dass solche Umwandlungen den längsten zeitlichen Rahmen beanspruchen. Die bisher als „schwachen Wechselwirkung“ klassifizierten Zerfällegehören in diese Kategorie.

 

Zusätzlich werden alle Umwandlungen überlagert bzw. modifiziert vom inneren Energiezustand des umwandelnden Teilchens und davon, dass eine Umwandlung von unterschiedlichen Subteilchen ausgehen kann. Letzteres trifft insbesondere für die schweren Teilchen zu.

 

Der innere Energiezustand des umwandelnden Teilchens bewirkt, dass im Umwandlungsprozess einerseits zusätzliche Teilchen entstehen können, im einfachsten Falle durch eine Paarbildung, oder aber durch Annihilation Teilchen scheinbar „verschwinden“. Die variable innere Energie der Teilchen spielt also eine entscheidende Rolle, zu welchem Endergebnis die Umwandlung führt und mit welcher Energie die entstehenden Teilchen aus dem Umwandlungsprozess hervorgehen.

Unter Berücksichtigung der strukturellen Gegebenheiten ist das Umwandlungsspektrum eines einzigen Teilchens oft überraschend groß. Es gelten aber bei jeder Teilchenumwandlung zwei fundamentale Erhaltungssätze:

  • Der Satz von der Erhaltung der Energie wird - auch in der Teilchenwelt! - nie verletzt
  • Die Parität von Positron und Elektron bleibt immer erhalten

Das heißt: Es entstehen bei keiner einzigen Umwandlung extrem kurzlebige, schwere Teilchen, die wieder im Nichts verschwinden und ein Elektron und ein Neutrino hinterlassen, wie das die gegenwärtige Theorie mit den W- und Z-Teilchen impliziert (vgl. Seite 07, Abb.7.4). Positron und Elektron entstehen und annihilieren immer paarweise, die Ladungssumme bleibt im Ablauf jeder Reaktion stets konstant; die Positron-Elektron-Parität gilt für das gesamte Universum und ist die fundamentale Begründung aller formal-mathematischen Paritätsbetrachtungen.


 

(a) Neuordnung von Subteilchen 

 

Beispiel für eine einfache, schnell ablaufende Reaktion ist der Zerfall des Kerns 4-8 gemäß:

 

(3.1)    4-Be-8   →   2-He-4   +   2-He-4     ΔE=–0,09MeV.

 

Diese Reaktion bietet substrukturell folgendes Bild:

 

(3.2)    [ 8(π+ π ) {4π+ } ]     →     2 [ 4(π+ π ) {2π+} ]

 

Die Subteilchen des Kerns 4-8 ordnen sich unter geringem Energiegewinn zu zwei Kernen 2-4. Obwohl die starke Wechselwirkung durch eine besonders starke Energietönung und zeitlich sehr schellen Ablauf definiert wurde, handelt es sich trotz der hier geringen Energie eindeutig um eine starke Wechselwirkung. Der Grund ist einleuchtend: Starke WW sind sehr einfache Umwandlungen, bei denen sich die Subteilchen zu neuen, stabileren Einheiten ordnen. Es finden keine Umwandlungen der Subteilchen selbst statt. Solche Reaktionen setzen naturgemäß schneller ein und kommen auch schneller zum Abschluss als Reaktionen, bei denen tiefgreifende innere Teilchenumwandlungen ablaufen. Den Emissionen von Protonen und Neutronen durch Kerne liegen ebenfalls einfache Neuordnungen von Subteilchen zugrunde. Das Problem der Erkenntnis besteht darin, dass nur der Anfangs- und Endzustand einer Reaktion sichtbar wird und die Reaktionsschritte selbst nicht beobachtbar sind.

 


(b) Umwandlung bis auf elementarer Stufe

 

Die β-Umwandlungen gelten als die typischen schwachen Wechselwirkungen. Jedem β Zerfall liegt die Umwandlung von oft mehreren Subteilchen zugrunde. Die Umwandlung geht bis auf die elementare Ebene hinab. Das Standardbeispiel der Umwandlung des Neutrons n  →  p  +  e bietet substrukturell folgendes Bild:

 

(3.3)    n   =   (K+ π)    →    (π+ π μ+)   +   e

 

Die relevante „innere“ Umwandlung des Neutrons findet am positiven Kaon statt:

 

(3.4)      K+    →    π+    +    μ+    +    e

 

Das beobachtete Elektron wird aus der Elementarstruktur des Neutrons durch Umwandlung des Kaons freigesetzt. Nicht das Neutron "zerfällt", wie es die einfache Beobachtung des Anfangs- und Endzustand der Teilchenumwandlung suggeriert, sondern das substrukturelle Kaon wandelt um in ein positives Pion und ein positives Myon, die zusammen mit dem negativen Pion das stabile Proton bilden. Das außerdem entstehende und strukturell überflüssige Elektron wird emittiert. Da das Neutron wie alle Teilchen eine variable innere Energie besitzt, wird neben dem Beta-Spektrum des Elektrons dieses gelegentlich auch in seinem angeregten Zustand als Myon emittiert.

 

(3.5)     n    →    p    +    μ

 

Es ist ersichtlich, dass die β-Umwandlungen sehr viel komplexer sind als die Emissionen von Proton oder Neutron aus einem Kern. Sie bedürfen deshalb einer anderen stofflich-energetischen Dimension als die substrukturellen Neuordnungen nach Gl. (4.1) oder der nachfolgenden Gl. (4.5). Die stofflich-energetische Komplexität eines Prozesses tritt als „Zeit“ in Erscheinung. Zeit offenbart sich also nicht als eine objektive Gegebenheit oder eine physikalische Grundgröße, sondern sie ist ein Ergebnis des Prozesses. Lediglich im mechanistischen Erfahrungsraum der Menschen gilt eine Objektivität der Zeit: Sie ist das Resultat einer großen Anzahl vielfältiger Prozesse, die eine Art "Zeitnormal" in Erscheinung treten lassen. Es ist bekannt, dass die hochpräzisen "Atomuhren" nur unter genau definierten Bedingungen eine "konstante Zeit" liefern, die im Grunde nur eine Vergleichsgröße darstellt.


 

(c) Innere Annihilation

 

Ein weiterer Umwandlungsprozess ist die innere Annihilation, d.h. das Zerstrahlen eines überzähligen Elektron-Positron-Paares in der Teilchenstruktur. Diese Umwandlung ist weniger komplex als die „schwache“, aber umfangreicher als die „starke“ Wechselwirkung und ihr Wahrscheinlichkeits- und damit Zeitintervall liegt deshalb in der Regel zwischen diesen beiden Wechselwirkungen. Einfachstes Beispiel ist die Umwandlung des neutralen Pions:

 

(3.6)     π0    =    (e+ e)    →    γγ

 

Es wird naturgemäß eine wesentlich höhere Umwandlungsenergie beobachtet als bei der Annihilation des Positroniums. Die bisherige Definition dieser Umwandlungen als „elektromagnetische Wechselwirkung“ stellt nicht auf den ursächlichen Prozess, sondern nur auf die Wahrnehmung, auf den äußeren Anschein ab.

Je nachdem, wie groß der innere Energieinhalt des umwandelnden Teilchens ist, können auch andere Reaktionsabläufe zu beobachten sein:

 

(3.7)     π0    =    (e+ e)    →    μ+   +   e

 

Das Positron geht aus dieser Umwandlung in seinem angeregten Zustand als positives Myon hervor. Bei der folgenden Umwandlung entsteht über den Prozess der Paarbildung ein überzähliges Positron-Elektron-Paar aus der inneren Energie des neutralen Pions:

 

(3.8)     π0    =    (e+ e)    →    e+   +   e   +   e+   +   e

 

Für alle Teilchenumwandlungen sind Regelumwandlungen, Überzahl- und Unterzahlumwandlungen zu beobachten, je nachdem, ob die entstehenden Teilchenzahlen genau der Elementarstruktur des Ausgangsteilchens entsprechen oder ob nach Reaktionsabschluss eine Überzahl oder Unterzahl vorliegt. Insofern unterscheiden sich Teilchereaktionen erheblich von chemischen Reaktionen: wegen der hohen umgesetzten Energiebeträge und den geringen Massen der beteiligten Teilchen können zusätzliche Teilcheneinheiten entstehen oder es können im Umwandlungsprozess Annihilationen stattfinden, ein in der Chemie unmöglicher Vorgang. Die stöchiometrisch zu erwartenden Zahlen der Elementarladungsteilchen werden (im Gegensatz zu den Atomen bei chemischen Reaktion) deshalb nicht zwangsläufig eingehalten. Die Vielzahl der Umwandlungen eines einzigen Teilchens, wie beispielsweise des neutralen Pions, ist damit sehr gut erklärbar.

 

(Quelle der Umwandlungsdaten: Particle Data Group, PDG).