Leptonen

Dieser Artikel erklärt dem Leser, woraus das heutige Universum besteht und welche Rolle gewöhnliche Materie, Dunkle Materie, Dunkle Energie und Neutrinos spielen. Sie lernen, welche dieser Komponenten direkt beobachtbar sind, wie ihre Existenz nachgewiesen wird, welche physikalischen Modelle sie beschreiben und warum der überwiegende Teil des Universums bis heute nur indirekt verstanden werden.

Zusammensetzung des Universums gemäß dem Standardmodell der Kosmologie

Gemäß dem Standardmodell der Kosmologie lässt sich der heutige Energie- und Materieinhalt des Universums näherungsweise in drei dominierende Komponenten gliedern. Nur die gewöhnliche Materie besteht aus den uns vertrauten atomaren Bausteinen und wird durch experimentell vielfach überprüfte physikalische Theorien beschrieben.

• ca. 68,3 % Dunkle Energie
• ca. 26,8 % Dunkle Materie
• ca. 4,9 % Gewöhnliche Materie

Daneben existiert ein kosmischer Hintergrund aus Photonen und Neutrinos. Deren heutiger Beitrag zur gesamten Energiedichte ist vergleichsweise klein; bei Neutrinos hängt der genaue Materiebeitrag von ihren bislang nicht vollständig bestimmten absoluten Massen ab.

Gewöhnliche Materie im Standardmodell der Kosmologie

Gewöhnliche Materie besteht aus den bekannten Teilchen des Standardmodells der Teilchenphysik. Atome und damit nahezu alle sichtbaren Strukturen werden im Wesentlichen aus Up- und Down-Quarks sowie Elektronen aufgebaut.

Die Bausteine der gewöhnlichen Materie

Unter gewöhnlicher Materie versteht man die baryonische Materie, aus der Sterne, Planeten, Gas, Staub und Lebewesen bestehen. Sie macht nach den Ergebnissen der Planck-Mission rund fünf Prozent des heutigen Energie- und Materieinhalts des Universums aus.

Das Standardmodell der Teilchenphysik enthält sechs Quarks und sechs Leptonen, die in drei Generationen angeordnet sind.

Zu den Leptonen gehören das Elektron und das Elektron-Neutrino, das Myon und das Myon-Neutrino sowie das Tau-Lepton und das Tau-Neutrino.

Die sechs Quarks tragen die Bezeichnungen Up und Down, Charm und Strange sowie Top und Bottom. Protonen bestehen aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark, Neutronen aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks. Protonen und Neutronen bilden wiederum die Atomkerne.

Die dauerhaft vorhandene atomare Materie unserer Alltagswelt wird im Wesentlichen aus Up-Quarks, Down-Quarks und Elektronen aufgebaut. Die Teilchen der zweiten und dritten Generation sind instabil und zerfallen unter normalen Bedingungen sehr schnell in leichtere Teilchen. Neutrinos sind ebenfalls extrem langlebige beziehungsweise nach heutigem Kenntnisstand stabile Teilchen, bilden jedoch keine Atome.

Grundlagen unseres Wissens über Materie

Das Verständnis der gewöhnlichen Materie gründet sich auf mehrere große Säulen der Physik. Die klassische Mechanik von Galilei und Newton beschreibt die Bewegung makroskopischer Körper, während die Elektrodynamik Maxwells elektrische und magnetische Felder und deren Wechselwirkungen beschreibt. Die Thermodynamik, zu deren Entwicklung unter anderem Carnot wesentlich beitrug, behandelt Wärme, Arbeit und Energieumwandlungen. Die Allgemeine Relativitätstheorie Einsteins liefert unser modernes Verständnis der Gravitation und Raumzeit. Die Quantenphysik und Quantenfeldtheorie, geprägt unter anderem von Planck, Heisenberg, Schrödinger und Feynman, beschreiben Materie und Wechselwirkungen auf atomaren und subatomaren Skalen. Das Higgs-Feld erklärt im Standardmodell, wie elementare Teilchen durch ihre Kopplung an dieses Feld Masse erhalten können.

Gravitation und kosmische Strukturen aus gewöhnlicher Materie

Alle Objekte aus gewöhnlicher Materie tragen aufgrund ihrer Masse und Energie zur Gravitation bei. Ein eindrucksvolles Beispiel ist das supermassereiche Schwarze Loch Sagittarius A* im Zentrum unserer Milchstraße. Es besitzt eine Masse von etwa vier Millionen Sonnenmassen. Sterne in seiner unmittelbaren Umgebung bewegen sich auf engen Umlaufbahnen um das galaktische Zentrum. Durch die genaue Beobachtung dieser Bahnen lassen sich die Masse des Schwarzen Lochs und relativistische Effekte untersuchen.

Bild

© MPE

Bildbeschreibung: Das Bild zeigt bekannte Sterne im Zentrum der Milchstraße, die Sagittarius A* umkreisen. Der Stern S301 kommt dem Schwarzen Loch auf seiner stark elliptischen Bahn bis auf etwa 1,7 Milliarden Kilometer beziehungsweise rund 11,5 Astronomische Einheiten nahe. Für einen Umlauf benötigt er etwa 8,7 Jahre und erreicht dabei eine Geschwindigkeit von rund 25.000 km pro Sekunde, also mehr als 8 % der Lichtgeschwindigkeit. Aufgrund seiner extrem engen Bahn eignet sich S301 besonders gut zur Untersuchung relativistischer Effekte in der unmittelbaren Umgebung eines supermassereichen Schwarzen Lochs. Präzise Messungen seiner Bahn könnten künftig auch Rückschlüsse auf den Drehimpuls von Sagittarius A* ermöglichen.

Dunkle Materie im Standardmodell der Kosmologie

Dunkle Materie ist eine unsichtbare Materieform, die nicht aus gewöhnlicher baryonischer Materie besteht. Ihre Gravitation spielt eine zentrale Rolle bei der Entstehung und Entwicklung kosmischer Strukturen. Ihre mikroskopische Natur ist bislang unbekannt; zu den hypothetischen Teilchenkandidaten zählen unter anderem Axionen und WIMPs.

Dunkle Materie im Standardmodell der Kosmologie

Dunkle Materie ist eine unsichtbare Materieform, deren genaue physikalische Natur bislang unbekannt ist. Sie sendet nach heutigem Kenntnisstand kein messbares Licht aus und absorbiert oder reflektiert elektromagnetische Strahlung nicht in einer Weise, die einen direkten astronomischen Nachweis ermöglichen würde. Ihre Existenz wird vor allem aus ihrer gravitativen Wirkung erschlossen.

Die beobachtbare baryonische Materie – einschließlich Sterne, Gaswolken, Planeten und Schwarzer Löcher – reicht nicht aus, um zahlreiche astronomische Beobachtungen zu erklären. Sowohl die hohen Umlaufgeschwindigkeiten von Sternen und Gas in Galaxien als auch Gravitationslinseneffekte und die Dynamik von Galaxienhaufen weisen auf zusätzliche, nicht sichtbare Masse hin.

Rolle der Dunklen Materie in der Strukturbildung

Dunkle Materie bildet ein unsichtbares kosmisches Gerüst, in dessen Gravitationspotential sich gewöhnliche Materie ansammeln kann. Bereits im frühen Universum verstärkten sich geringe Dichteunterschiede. Dunkle Materie konnte dabei aufgrund ihrer gravitativen Wirkung wesentlich zur Entstehung von Galaxien, Galaxienhaufen und der großräumigen filamentartigen Struktur des Universums beitragen.

Was Dunkle Materie nicht ist

Dunkle Materie kann nicht überwiegend aus den bekannten Bausteinen gewöhnlicher Materie wie Protonen, Neutronen und Elektronen bestehen. Auch eine Ansammlung gewöhnlicher lichtschwacher astrophysikalischer Objekte wie ausgebrannter Sterne, Planeten oder Schwarzer Löcher reicht nicht aus, um die kosmologischen und astronomischen Beobachtungen zu erklären.

Axionen und WIMPs: Kandidaten für Dunkle Materie

Da die Natur der Dunklen Materie unbekannt ist, wurden zahlreiche hypothetische Teilchen vorgeschlagen. Zu den bekanntesten Kandidaten gehören Axionen und sogenannte Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs). Bislang wurde jedoch kein solches Dunkle-Materie-Teilchen zweifelsfrei experimentell nachgewiesen.

Axionen sind hypothetische, elektrisch neutrale und sehr leichte Teilchen mit äußerst schwachen Wechselwirkungen mit gewöhnlicher Materie. Sie wurden ursprünglich im Zusammenhang mit einem theoretischen Problem der starken Wechselwirkung vorgeschlagen. Unter geeigneten Bedingungen könnten im frühen Universum große Mengen solcher Teilchen entstanden sein, weshalb Axionen als mögliche Kandidaten für Dunkle Materie intensiv untersucht werden.

WIMPs sind eine weitere hypothetische Klasse massereicher, schwach wechselwirkender Teilchen. In manchen Modellen können WIMPs miteinander annihilieren oder zerfallen und dabei unter anderem Gammastrahlung erzeugen. Die dabei zu erwartenden Energien und Spektren hängen von der WIMP-Masse und dem jeweiligen physikalischen Modell ab und sind daher nicht auf einen bestimmten Wert wie 20 GeV festgelegt. Nach solchen möglichen Signaturen wird beispielsweise mit dem Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop gesucht. Ein eindeutiger Nachweis von WIMPs ist bisher jedoch nicht gelungen.

Einordnung im Teilchenspektrum

Sollte Dunkle Materie tatsächlich aus bislang unbekannten Elementarteilchen bestehen, würde dies eine Erweiterung des heutigen Standardmodells der Teilchenphysik erfordern. Die Existenz Dunkler Materie ist durch zahlreiche gravitative Beobachtungen gut belegt; ihre teilchenphysikalische Natur ist dagegen weiterhin ungeklärt. Beobachtete Gammastrahlung aus astrophysikalischen Regionen stellt bislang keinen eindeutigen Nachweis von WIMPs oder anderen Dunkle-Materie-Teilchen dar.

Dunkle Energie im Standardmodell der Kosmologie

Dunkle Energie bezeichnet die bislang ungeklärte Ursache der beschleunigten Expansion des Universums. Im kosmologischen Standardmodell wird sie meist durch die kosmologische Konstante beschrieben; alternativ werden dynamische Felder wie die hypothetische Quintessenz untersucht.

Beobachtete beschleunigte Expansion des Universums

Astronomische Beobachtungen zeigen, dass sich das Universum nicht nur ausdehnt, sondern dass sich diese Expansion in der heutigen kosmischen Epoche beschleunigt. Eine wichtige Entdeckung war Ende der 1990er-Jahre die Beobachtung weit entfernter Supernovae vom Typ Ia. Weitere Hinweise stammen unter anderem aus Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung und der großräumigen Struktur des Universums.

Eigenschaften und Wirkung Dunkler Energie

Dunkle Energie ist ein Sammelbegriff für die bislang nicht vollständig verstandene Ursache dieser beschleunigten kosmischen Expansion. Im einfachsten und gegenwärtig üblichen ΛCDM-Modell wird sie durch eine konstante Energiedichte des leeren Raums beschrieben. In der Allgemeinen Relativitätstheorie kann eine solche Komponente mit hinreichend negativem Druck auf kosmischen Skalen eine beschleunigte Expansion bewirken. Anders als Materie bildet sie nach diesem Modell keine gebundenen Strukturen wie Sterne oder Galaxien.

Quintessenz: Dunkle Energie als skalares Feld

Eine mögliche Alternative zur kosmologischen Konstante ist die sogenannte Quintessenz. Dabei handelt es sich um ein hypothetisches dynamisches skalares Feld, dessen Energiedichte sich im Laufe der kosmischen Entwicklung verändern könnte. Ob ein solches Feld tatsächlich existiert, ist bislang unbekannt. Beobachtungen sollen klären, ob sich Dunkle Energie zeitlich verändert oder mit einer konstanten Vakuumenergiedichte vereinbar ist.

Kosmologische Konstante und historische Einordnung

Albert Einstein führte 1917 die kosmologische Konstante Λ in seine Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie ein, ursprünglich um ein statisches kosmologisches Modell zu ermöglichen. Heute besitzt die kosmologische Konstante eine andere Bedeutung: Ein positiver Wert von Λ entspricht einer konstanten Energiedichte des leeren Raums und kann die beobachtete beschleunigte Expansion des Universums beschreiben. Im ΛCDM-Modell stellt sie die einfachste Beschreibung der Dunklen Energie dar.

Neutrinos im Standardmodell der Kosmologie

Neutrinos sind extrem leichte, elektrisch neutrale Elementarteilchen, die nur sehr schwach mit Materie wechselwirken und in riesigen Mengen im Universum vorkommen. Der experimentelle Nachweis ihrer von null verschiedenen Masse zeigt, dass das ursprüngliche minimale Standardmodell der Teilchenphysik erweitert werden muss.

Neutrinos

Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen, die über die schwache Wechselwirkung und die Gravitation wechselwirken. Ihre Ruhemasse ist sehr klein, aber eindeutig von null verschieden. Aufgrund ihrer geringen Wechselwirkungswahrscheinlichkeit können Neutrinos große Mengen Materie nahezu ungehindert durchqueren.

Historische Entdeckung und experimentelle Bestätigung

Wolfgang Pauli schlug 1930 die Existenz eines neuen neutralen Teilchens vor, um beim Beta-Zerfall die Erhaltung von Energie, Impuls und Drehimpuls zu gewährleisten. Enrico Fermi entwickelte darauf aufbauend eine Theorie des Beta-Zerfalls und prägte die Bezeichnung Neutrino. Der erste experimentelle Nachweis von Neutrinos gelang Clyde Cowan und Frederick Reines 1956 mit Antineutrinos aus einem Kernreaktor.

Experimente mit solaren und atmosphärischen Neutrinos zeigten später, dass Neutrinos zwischen verschiedenen Flavour-Zuständen – Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino – wechseln können. Solche Neutrino-Oszillationen sind nur möglich, wenn mindestens zwei Neutrino-Massenzustände unterschiedliche, von null verschiedene Massen besitzen. Für die Entdeckung der Neutrino-Oszillationen erhielten Takaaki Kajita und Arthur B. McDonald 2015 den Nobelpreis für Physik.

Masse und Rolle im Standardmodell

Neutrinos gehören zu den leichtesten bekannten massetragenden Elementarteilchen. Die Unterschiede zwischen ihren Massen lassen sich aus Neutrino-Oszillationen bestimmen, ihre absoluten Massen sind jedoch noch nicht bekannt. Das KATRIN-Experiment hat 2025 für die direkt gemessene effektive Elektron-Antineutrinomasse eine Obergrenze von 0,45 eV/c² bestimmt.

Im ursprünglichen minimalen Standardmodell der Teilchenphysik wurden Neutrinos als masselos behandelt. Die experimentell nachgewiesenen Neutrinomassen zeigen daher, dass dieses Modell erweitert werden muss. Wie Neutrinos ihre Masse erhalten, ist noch ungeklärt. Diskutiert werden unter anderem Dirac-Massen über eine Kopplung an das Higgs-Feld sowie Majorana-Massen und verschiedene Seesaw-Mechanismen.

Neutrinos gehören zu den häufigsten Elementarteilchen im Universum. Zusätzlich zum kosmischen Neutrinohintergrund entstehen große Mengen von Neutrinos in Sternen, Kernreaktionen und anderen astrophysikalischen Prozessen. Von der Sonne erreichen die Erde pro Quadratzentimeter und Sekunde mehrere zehn Milliarden Neutrinos. Die allermeisten durchqueren unseren Körper, ohne mit ihm zu wechselwirken.

Elementarteilchen bzw. Fundamentalteilchen

Elementarteilchen sind im Standardmodell der Teilchenphysik die kleinsten bekannten Bauteile der Materie. Sie haben keine Ausdehnung, sind also punktförmig bzw. Null-dimensional. In der Stringtheorie werden sie durch „Strings“ ersetzt, die man sich als eindimensionale vibrierende Objekte vorstellen kann.

Die sogenannte „gewöhnliche Materie“ besteht aus 2 Teilchenarten

• 12 materie-bildende Fermionen
• 7(11) Austauschteilchen, den Bosonen

D.h. jedes Elementarteilchen ist entweder ein Fermion, dann hat es den Spin 1/2 oder ein Boson, dann hat es einen ganzzahligen Spin (0, 1 oder 2).

12 Fermionen

Die "gewöhnliche Materie" besteht neben den Bosonen noch aus 12 Fermionen. Sie alle haben einen halbzahligen Spin, das ist der quantisierte Eigendrehimpuls, einer der sogenannten Quantenzustände. Fermionen unterliegen dem paulischen Ausschlussprinzip, demzufolge zwei Fermionen am gleichen Ort, also bei sich überlagernden Wellenfunktionen, nicht den identen Quantenzustand annehmen können.

• 6 Leptonen
• 6 Quarks

Lediglich die beiden leichtesten Leptonen „Elektron“ und „Elektron-Neutrino“ und die beiden leichtesten Quarks „up“ und „down“ sind stabil. D.h. es gibt 6+6=12 Materieteilchen, nur 4 davon sind stabil!

6 Leptonen

Die "gewöhnliche Materie" besteht aus 12 Fermionen. 6 davon sind die Leptonen. Sie sind einzelne, nicht weiter zerlegbare Elementarteilchen.

• Elektron + Elektron-Neutrino,
• Myon + Myon-Neutrino, Die Masse der Myonen ist ca. 200 mal so groß wie die des Elektrons
• Tauon + Tauon-Neutrino), Die Masse der Tauonen ist ca. 1700 mal so groß wie die des Elektrons

• Das Elektron, Myon, Tauon und die Neutrinos unterliegen vor allem der schwachen Wechselwirkung, die für ihren Zerfall verantwortlich ist und der Gravitation, da sie massebehaftet sind. Sie unterliegen aber nicht der starken Wechselwirkung.
• Der elektromagnetischen Wechselwirkung unterliegen das Elektron, Myon und  Tauon, da sie geladen sind, nicht jedoch die ungeladenen Neutrinos.

6 Quarks

Die "gewöhnliche Materie" besteht aus 12 Fermionen. 6 davon sind die Quarks. Eigentlich sind es 3 Quarkpaare, die je eine Eigenschaft - „Flavor“ genannt - haben:

• Up + Down;
• Charm + Strange;
• Top + Bottom;

• Quarks tragen die Ladung der starken Wechselwirkung, die sogenannte Farbladung („rot“, „grün“, „blau“) und Bruchteile der elektrischen Elementarladung (2/3) e oder (1/3) e. Sie sind in den Hadronen so kombiniert, dass diese nach außen eine ganzzahlige elektrische Ladung tragen.
• Quarks unterliegen vor allem der starken Wechselwirkung. Sie können aber zufolge der schwachen Wechselwirkung  in andere Quarks zerfallen. Quarks unterliegen der elektromagnetischen Wechselwirkung sowie der Gravitation, da sie massebehaftet sind. Somit unterliegen Quarks allen 4. Wechselwirkung.

Hadronen aus 2, 3 oder 4 Quarks

Eine Zusammensetzung von mehreren Quarks nennt man Hadron.

Die 6 Quarks können nicht einzeln existieren, sondern nur in Zusammensetzungen von mehreren (2, 3, 5) Quarks, einem Effekt den man Confinement („Gefangenschaft“) nennt. Versucht man Hadronen durch Zufuhr von hoher Energie zu trennen, entsteht spontan ein Quark-Antiquark Paar, entsprechend der Äquivalenz von Masse und Energie (E=mc²).

Hadronen sind grundsätzlich instabil,

• mit Ausnahme des Protons (bestehend aus 2 Up Quarks und 1 Down Quark), von dem noch kein Zerfall nachgewiesen ist (Einige Theorien leiten eine Halbwertszeit von 10³⁶ Jahren her) .
• Freie Neutronen, die also nicht in einem Atomkern gebunden sind, (bestehend aus 2 Down Quarks und 1 Up Quark), zerfallen im Betazerfall innerhalb von ca. 15 Minuten in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino, sowie in kinetische Energie.

Hadronen setzen sich aus 2, 3 oder 5 Quarks zusammen

• Mesonen: Hadron aus 2 Quarks
  1 Quark + 1 Antiquark, ganzzahliger Spin, Farbe und Antifarbe -> farbneutral
• Baryonen: Hadron aus 3 Quarks:
  halbzahliger Spin, 3 verschiedene Farben-> farbneutral. Dazu gehören das Proton und das Neutron, die zusammen den Atomkern bilden.
• Pentaquarks: Hadron aus 5 Quarks:
  4 Quarks + 1 Antiquark, sie wurden erst 2015 entdeckt

7 (11) Bosonen (Austauschteilchen)

Die "gewöhnliche Materie" besteht neben den Fermionen noch aus 7 (11) Bosonen. Die 5 Vektorbosnen als Vermittler der schwachen, der starken und der elektromagnetischen Wechselwirkung sind nachgewiesen. Das Tensorboson der Gravitation ist noch nicht nachgewiesen. Von den 5 erwarteten Skalarbosonen, gemäß dem Higgs'schen Mechanismus, ist erst das 1. von 5 Higgsbosonen nachgewiesen

Die Bosonen vermitteln die Kräfte der 4 Wechselwirkungen und den Higgs-Mechanismus zwischen den Fermionen und den Feldern.

Die mit den Wechselwirkungen verbundenen Kräfte werden nicht „sofort“ übertragen, sondern unterliegen auch den Aussagen der Relativitätstheorie und werden mit Lichtgeschwindigkeit oder langsamer übertragen.

Die Bosonen werden nach ihrem Spin, der im Unterschied zu den Fermionen, ganzzahlig ist, eingeteilt in

• Spin = 0: 1 (5) Skalarboson h⁰ Higg-Boson(en) Das / die Higgs-Boson(en) hat / haben als Skalarboson(en) den Spin= 0, also keinen Eigendrehimpuls.
• Spin = 1: 1+3+1=5 Vektor oder Eich-Bosonen
  
  • Gluon - 8 Träger der starken Wechselwirkung - Eichgruppe SU(3)
  • W⁺, W^- und Z⁰ Bosonen - 3 Träger der schwachen Wechselwirkung - Eichgruppe SU(2)
  • Photon - 1 Träger der elektromagnetischen Wechselwirkung - Eichgruppe U(1)
• Spin = 2: 1 Tensorboson (hypothetische Graviton)

Elektromagnetische Wechselwirkung

Schwache Wechselwirkung

Die Bezeichnung „schwache“ Wechselwirkung sollte eigentlich „relativ seltene“ Wechselwirkung heißen. Da sich dabei die schwach wechselwirkenden Teilchen sehr nahe kommen müssen, kommt es nur sehr selten zum Beta Zerfall und damit zum Zerfall von gewöhnlicher Materie.

\(\eqalign{ & {}_0^1n \to {}_1^1p + {e^ - } + {\overline \nu _e} \cr & {}_1^1p \to {}_0^1n + {e^ + } + {\overline \nu _e} \cr} \)

Die schwache Wechselwirkung ist für den Beta Zerfall von Neutronen verantwortlich, bei dem ein Neutron in ein Proton und ein Elektron zerfällt.

Da das Neutron aus 2 Stk. d-Quarks und 1 Stk u-Quark besteht und das resultierende Proton aus 1 Stk d-Quark und 2 Stk u-Quarks besteht, muss sich ein d-Quark in ein u-Quark umwandeln. D.h. die schwache Wechselwirkung ist in der Lage die Natur der Quarks zu verändern. Die schwache Wechselwirkung hat Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften eines Teilchens, da sie deren elektrische Ladung verändern kann. Daher sind die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung nicht unabhängig voneinander und wurden 1964 zur „elektroschwachen Wechselwirkung“ zusammengefasst.

W⁺ und W^- Bosonen

Die schwache Wechselwirkung wird durch den Austausch von W Bosonen, die den schwachen Isospin als Ladung tragen bewirkt und durch die SU(2) genannte Eichgruppe beschrieben.

Das W^- Boson ist das Antiteilchen vom W⁺ Boson. Der schwache Isospin kann nur 2 Zustände annehmen: „Up“ und „Down“. Die Emission oder Absorption eines W-Bosons ändert den Isospin des Teilchens. Die W und Z Bosonen sind die einzigen Austauschteilchen die Masse besitzen. Der Grund dafür ist, dass die Ladung des Higgs-Feldes ebenfalls der schwache Isospin ist, genauso wie für die schwache Wechselwirkung.

Z⁰ Bosonen

Z Bosonen sind ebenso wie die beiden W Bosonen Träger der schwachen Wechselwirkung. Sie haben Spin 1. Die Emission oder die Absorption von Z⁰ Bosonen ändert die Natur eines Teilchens nicht, Neutrinos können aber mit Hilfe der Z-Bosonen mit einander wechselwirken. Da Neutrinos elektrisch neutral sind, können sie nicht elektromagnetisch bzw. über Photonen mit einander wechselwirken, sondern nur über das elektrisch neutrale Z-Boson. Z-Bosonen sind sehr schwer, haben daher nur eine kurze Lebensdauer von 3*10^-25 Sekunden und können in dieser kurzen Zeit nur sehr kleine Entferungen zurücklegen.

Higgs Mechanismus

(Nur) Teilchen die den schwachen Isospin als Ladung tragen, koppeln neben der schwachen Wechselwirkung noch an ein weiteres Feld - Higgs Feld - genannt an. Sie tun dies durch den Austausch von Higgs Bosonen.