YukawaWechselwirkungen

Yukawa-Wechselwirkungen bezeichnen in der Teilchenphysik die Kopplung von Fermionen an skalare Felder. Historisch wurden sie eingeführt, um die kurzreichende, aber starke Kernkraft zwischen Nukleonen durch Austausch eines Mesons zu erklären. Hideki Yukawa schlug 1935 vor, dass Kernkräfte durch den Austausch von Vermittlungs­teilchen entstehen, deren Masse die Reichweite der Kraft bestimmt. In der modernen Physik umfasst der Begriff sowohl die mesonenvermittelten Kräfte in der Kernphysik als auch die Kopplungen zwischen Fermionen und dem Higgs-Feld im Standardmodell.

Eine klassische Beschreibung der Fermionen-Wechselwirkung durch einen massiven Vermittler ist das Yukawa-Potenzial: V(r) ∝ -(g^2/4π) e^{-m r}/r, wobei m die Masse des austauschenden Teilchens ist. Die Reichweite der Kraft beträgt ungefähr ħ/(m c). Leichtere Mesonen erzeugen damit eine längere Reichweite, schwerere Mesonen eine kürzere. Dieses Potenzial erklärt die im Kernbereich beobachteten, kurzreichenden Anziehungskräfte durch Mesonenaustausch.

Im Standardmodell der Teilchenphysik sind Yukawa-Wechselwirkungen die Kopplungen von Fermionen an das Higgsfeld. Im Lagrangian erscheinen sie als Yukawa-Terme: L_Y = - y_f \bar ψ_L φ ψ_R + h.c., die nach der spontanen Symmetriebrechung zu Fermionmassen m_f = y_f v/√2 führen, wobei v ≈ 246 GeV. Für jedes Fermion existiert eine eigene Kopplung y_f; der Yukawa-Wert bestimmt Masse und Stärke der Fermion-Higgs-Kopplung. Der größte Wert gehört dem Top-Quark; leichtere Fermionen besitzen entsprechend kleinere Kopplungen, etwa y_e ≈ 2,9×10^-6.

Experimentell werden Yukawa-Kopplungen vor allem durch Higgsproduktion und -dekömbinationen bestimmt. Beispiele sind die Kopplung an Top-Quarks in ttH-Prozessen sowie H→bb und H→ττ. Die Messung der leichten Fermionen-Kopplungen bleibt herausfordernd. Insgesamt sind Yukawa-Wechselwirkungen zentral für die Massenentstehung der Fermionen im Higgsmechanismus.