Schwache Zerfälle von Pionen und Myonen

Kern- und Strahlungsphysikvorlesung von Prof. Dr. P. Zimmermann

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Der Artikel Schwache Zerfälle von Pionen und Myonen basiert auf der Vorlesungsmitschrift von Moritz Schubotz des 16.Kapitels (Abschnitt 0) der Kern- und Strahlungsphysikvorlesung von Prof. Dr. P. Zimmermann.

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Neben "normalem" ß-Zerfall der Nukleonen schwache Zerfälle auch bei anderen "Elementarteilchen", erkennbar an der relativ großen Lebensdauer.

Pionen

Pionen (vor Quarkmodell Austauschteilchen der starken WW)

${\begin{aligned}{{\pi }^{+}}&\to {{\mu }^{+}}+{{\nu }_{\mu }}\\{{\pi }^{-}}&\to {{\mu }^{-}}+{{\bar {\nu }}_{\mu }}\\\end{aligned}}$

${{t}_{1/2}}=2,5\times {{10}^{-8}}{\text{s}}$, dagegen ${{\pi }^{0}}{\underset {\begin{smallmatrix}{\text{elektro-}}\\{\text{magn}}{\text{. WW}}\end{smallmatrix}}{\mathop {\to } }}\,2\gamma$ mit $t_{1/2}=10^{-16}{\text{s}}$

Ruhemassen: ${\begin{array}{*{35}{l}}{{\pi }^{\pm }}&139,6{\text{ MeV}}\\{{\mu }^{\pm }}&105,9{\text{ MeV}}\\\end{array}}$ $\Delta E=34{\text{ MeV }}=30{\text{MeV}}\left({{E}_{\nu }}\right)+4{\text{MeV}}\left({{E}_{\mu }}\right)$

${{\nu }_{\mu }}\neq {{\nu }_{e}}$ Experiment von Danby et al.

• ${{\nu }_{\mu }}+n\to {{\mu }^{-}}+p$ nachgewiesen
• ${{\nu }_{\mu }}+n\nrightarrow {{e}^{-}}+p$ "inverser ß-Zerfall" nicht nachgewiesen

Myonen

Myonen ("schwere" Elektronen)

${\begin{array}{*{35}{l}}{{\mu }^{+}}&\to {{e}^{+}}+{{\nu }_{e}}+{{\bar {\nu }}_{\mu }}\\{{\mu }^{-}}&\to {{e}^{-}}+{{\bar {\nu }}_{e}}+{{\nu }_{\mu }}\\\end{array}}$

${{t}_{1/2}}=2\times {{10}^{-6}}{\text{s}}$

Tau-Teilchen

$\tau ^{\pm }$ "superschwere" Elektronen $m_{\tau }c^{2}\approx 1,8GeV$ und damit dritte Sorte von Neutrinos, die Tau-Neutrinos $\nu _{\tau }$ (1976).

Nach dem Vorbild der Vereinheitlichung von elektrischen und magnetischen Vorgängen durch Maxwell nun Vereinheitlichung von elektromagnetischer und schwacher WW zur elektroschwachen WW (Glashow 1960), Weinberg und Salam 1967). Dabei treten 4 Austauschteilchen, nämlich das masselose Photon und die drei massiven intermediären Bosonen W^± (81 GeV) und Z° (94 GeV) auf. Der ß-zerfall kann damit gewissermaßen als "Zweistufenprozeß" beschrieben werden, z. B.

$n\top +W,W\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}$

Zusammenfassung mit den Quarks zum Standardmodell:

*Baryonen z. B. p = (u u d) *Mesonen z. B. $\pi ^{-}=(d{\bar {u}})$ *Gluonen (masselose Vektorbosonen) als Austauschteilchen für die starke WW