Das β-Spektrometer — Messung der kontinuierlichen ...

2.3 Der β-Zerfall2.3.2. Zerfallsprozess und EnergiebilanzDie fundamentale Bedeutung des β-Zerfalls besteht darin, dass er durch eine Wechselwirkungzwischen physikalischen Objekten verursacht wird, die in der klassischen Physiknicht bekannt ist - die sog. schwache Wechselwirkung [12]. Sie führt dazu, dass sich dieverschiedenen Quark-Arten, aus denen die Nukleonen 14 bestehen, durch Aussendeneines Austauschteilchens, dem W-Boson, ineinander umwandeln (Abb. 2.5). Währenddas umgewandelte Quark als Bestandteil des umgewandelten Nukleon seine Rollebeibehält, verlassen die weiteren entstehenden Teilchen den Kern. Die beim β − - undβ + -Zerfall freiwerdende Ladung wird in Form eines Elektrons oder Positrons emittiert.Sie werden aus historischen Gründen als β-Teilchen bezeichnet. Da β-Zerfallsprozesseeine sehr viel kleinere Übergangswahrscheinlichkeit haben als Prozesse, die durch Kernkräfteoder elektromagnetische Kräfte verursacht werden, spricht man von „schwacher“Wechselwirkung.Bei Umwandlungsprozessen zwischen Elementarteilchen muss sowohl die Baryonenzahlals auch die Leptonenzahl erhalten bleiben. Dabei wird einem Lepton 15 die ZahlL = +1 und seinem Antiteilchen L = −1 zugeordnet. Es entsteht also jeweils einweiteres leichtes Teilchen, das Antineutrino ν bzw. das Neutrino ν, so dass auf beidenSeiten die Zahl der Leptonen „kompensiert“ wird. Da β-Zerfälle isobar sind, bleibtauch die Zahl der Baryonen 16 erhalten.(a)(b)Abb. 2.5.: Feynman-Diagramm zur schwachen Wechselwirkung. Die durchgezogenen Linien entsprechenden Nukleonen im Anfangs- und Endzustand, die gestrichelte Linie symbolisiert dasAustauschteilchen. (a) β − -Zerfall des Neutrons durch (b) Umwandlung eines d-Quarks.14 Protonen: uud, Neutronen: udd. Dabei bedeutet u: up-Quark und d: down-Quark.15 Leptonen (griech. leptos = leicht) gehören neben den Quarks zu den fundamentalen Bausteinenaus denen sich Materie zusammensetzt (z.B. e − , e + , ν, ν).16 Baryonen (griech. barys = schwer) sind Elementarteilchen, die aus jeweils drei Quarks bestehen(z.B. p, n).13