Elementarteilchen

Dieser Artikel befasst sich mit 'Elementarteilchen', den kleinsten Bausteinen der Materie. Es gibt auch einen Roman von Michel Houellebecq gleichen Namens, dessen Artikel Sie unter Elementarteilchen (Roman) finden.

Elementarteilchen sind die kleinsten bekannten Bausteine der Materie. Ihre Eigenschaften lassen sich nicht anschaulich beschreiben, da sie aufgrund ihrer geringen Größe quantenmechanischen Gesetzmäßigkeiten gehorchen. Nachdem die Atomtheorie des Demokrit sich durch die Entwicklung der Chemie im 18. Jahrhundert bestätigte, waren die Atome 'elementare' Teilchen.

Anfang des 20. Jahrhunderts wurde dann entdeckt, dass Atome aus einem Atomkern (bestehend aus Protonen und Neutronen) und einer Hülle (bestehend aus Elektronen) aufgebaut sind. Das Neutron ist kein stabiles Elementarteilchen, da es außerhalb des Atomkerns radioaktiv zerfällt. Protonen und Elektronen gelten als stabil.

Nach der Entdeckung der das Atom aufbauenden Elementarteilchen wurde eine Vielzahl von instabilen Teilchen entdeckt. In die gleiche Zeit fällt die Entdeckung der Antiteilchen.

Einteilung der Elementarteilchen

Elementarteilchen haben eine Reihe von Eigenschaften: Masse, verschiedene Ladungen, Spin. Deneben unterscheidet man zusammengesetzte von unteilbaren Elementarteilchen. Solche Eigenschaften erlauben eine Einteilung der bekannten Elementarteilchen.

Einteilung nach "Funktion"

Es gibt drei für Elementarteilchen relevante Wechselwirkungen: Die starke, die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung. Diese Wechselwirkungen werden in Quantenfeldtheorien (Quantenchromodynamik, Glashow-Weinberg-Salam-Modell der elektroschwachen Wechselwirkung, Quantenelektrodynamik) beschrieben. (Die Gravitation kann man vernachlässigen.)

Je nach der Wechselwirkung, an der ein Elementarteilchen teilnimmt, wird ihm eine Ladung (starke Ladung (oder Farbladung), schwache Ladung, elektrische Ladung) zugeordnet. Die Wechselwirkung innerhalb jeder dieser drei Typen wird von wechselwirkungsspezifischen Austauschteilchen oder Botenteilchen, so genannten Eichbosonen, vermittelt. Diese auch "intermediäre Bosonen" genannten Teilchen zeichnen sich immer durch einen ganzzahligen Spin aus.

In diesem Sinne unterscheidet man zwischen den eigentlichen "Bausteinen" der Materie und den zwischen diesen Bausteinen vermittelnden Elementarteilchen.

Beispiele für erstere sind Atombausteine (Proton, Neutron, Elektron). Eine ausführlichere Behandlung folgt weiter unten.

Die Eichbosonen der drei Wechselwirkungen sind das Gluon (starke Wechselwirkung), die Z- und W-Bosonen (schwache Wechselwirkung) und das Photon (elektromagnetische Wechselwirkung).

Interessanterweise tragen die Gluonen selbst wieder eine starke Ladung, so dass sie nicht nur Träger der starken Wechselwirkung sind, sondern ihr auch unterliegen. Die W-Bosonen der schwachen Wechselwirkung tragen eine elektrische Ladung, und wechselwirken demnach auch elektromagnetisch.

Einteilung nach Wechselwirkung

Die kleinsten Bausteine der Materie lassen sich am einfachsten in zwei Gruppen unterteilen: Teilchen, die der starken Wechselwirkung unterliegen, und Teilchen, die der starken Wechselwirkung nicht unterliegen.

Teilchen, die der starken Wechselwirkung unterliegen, werden als Hadronen bezeichnet. Nach der Theorie der Quantenchromodynamik sind sie aus elementaren Quarks zusammengesetzt, die durch die Träger der starken Wechselwirkung, die Gluonen zusammengehalten werden.

Insofern sind Quarks die grundlegenden stark wechselwirkenden Materiebausteine; sie besitzen den Spin 1/2. Bekannte Hadronen sind das Proton und das Neutron.

Teilchen die der starken Wechselwirkung nicht unterliegen, werden als Leptonen bezeichnet. Die Theorie der Elektroschwachen Wechselwirkung behandelt die Leptonen als elementare Teilchen.

Bekannte Leptonen sind das Elektron, das Myon und die Neutrinos. Alle Leptonen besitzen den Spin 1/2.

Unteilbare und zusammengesetzte Elementarteilchen

Die unteilbaren Elementarteilchen sind hinreichend, alle bekannten Elementarteilchen zu erklären. Man betrachtet heute Quarks und Leptonen sowie Eichbosonen als unteilbar. Quarks und Leptonen haben alle einen Spin von 1/2; alle Eichbosonen besitzen einen Spin von 1.

Zusammengesetzte Elementarteilchen entstehen aus der Kombination dreier Quarks (Baryon, Spin 1/2 oder 3/2) oder aus der Kombination eines Quarks mit einem Antiquark (Meson, Spin 0 oder 1). Das Proton und das Neutron sind Baryonen, das Pion und das Kaon sind Mesonen.

Einteilung nach Spin

Systeme von Elementarteilchen zeigen unterschiedliches (statistisches) Verhalten, je nachdem, ob sie halb- oder ganzzahligen Spin besitzen.

Elementarteilchen mit ganzzahligem Spin (Eichbosonen, Mesonen) werden als Bosonen bezeichnet. Elementarteilchen mit halbzahligem Spin (Leptonen, Baryonen) werden als Fermionen bezeichnet.

Einteilung - Zusammenfassung

{| border="1" | colspan="2" | Austauschteilchen || ... sind Bosonen |----- | colspan="2" | Leptonen || ... sind Fermionen |----- | rowspan="2" | Hadronen || Mesonen || ... sind Bosonen |----- | Baryonen || ... sind Fermionen |}

Quantenfeldtheorien beschreiben die Wechselwirkung der 'elementarsten' bekannten Elementarteilchen (Quarks, Leptonen) durch Austauschteilchen (Photon, Gluon, Z-Boson, W-Boson). Innerhalb der Quantenfeldtheorien können sich Elementarteilchen nach bestimmten Regeln (Erhaltung von Energie, Ladung, Spin) ineinander umwandeln.

Bekannte Elementarteilchen

Leptonen und Quarks

{| border="1" ! Familie ! Teilchen ! Masse·c2  ! el. Ladung/|e|  ! Baryonenzahl  ! Wechselwirkungen |----- | rowspan="4" | 1. Familie  || Elektron (e) | 511 keV || -1 || 0 || elektromagnetisch, schwach |----- | Elektron-Neutrino (νe)  | <2 eV || 0 || 0 || schwach || Up-Quark (u) | 4 MeV || 2/3 || 1/3 | elektromagnetisch, stark, schwach  |----- | Down-Quark (d) || 7 MeV || -1/3 | 1/3 || elektromagnetisch, stark, schwach |----- | rowspan="4" | 2. Familie || Myon (μ) | 0,1 GeV || -1 || 0 || elektromagnetisch, schwach |----- | Myon-Neutrino (νμ) || <0,2 MeV | 0 || 0 || schwach |----- | Charme-Quark (c) || 1,5 GeV || 2/3 || 1/3 | elektromagnetisch, stark, schwach  |----- | Strange-Quark (s) || 0,15 GeV || -1/3 | 1/3 || elektromagnetisch, stark, schwach |----- | rowspan="4" | 3. Familie || Tau (τ) | 1,8 GeV || -1 || 0 || elektromagnetisch, schwach |----- | Tau-Neutrino (μτ) || <0,02 GeV  | 0 || 0 || schwach |----- | Top-Quark (t) || 174,0 GeV || 2/3 | 1/3 || elektromagnetisch, stark, schwach |----- | Bottom-Quark (b) || 4,7 GeV || -1/3 | 1/3 || elektromagnetisch, stark, schwach |}

Die oben genannten Quarks kommen in jeweils drei "Ausführungen" vor, die sich durch die Farbladung unterscheiden, jeweils ein rotes, blaues und grünes (die Farbladung hat nichts mit der sichtbaren Farbe zu tun).

Für top- und bottom-Quark sind auch die Namen truth- und beauty-Quark gebräuchlich.

Zu jedem der oben genannten Fermionen gibt es ein Antiteilchen. Das Antiteilchen des Elektrons heißt Positron, bei den anderen Teilchen wird einfach die Silbe "Anti-" vor den Namen gesetzt (bzw. bei Neutrinos vor das Wort "Neutrino", also z.B. Myon-Antineutrino, nicht Antimyon-Neutrino). Beim Neutrino könnte es jedoch auch sein, dass es mit seinem Antiteilchen identisch ist. Wenn dies der Fall ist, sollte es einen neutrinolosen doppelten Betazerfall geben.

Eichbosonen

(in Klammern: Teilchen vermutet, noch nicht gefunden) {| border="1" ! Teilchen ! Masse·c2 ! Spin ! el. L./|e|  ! vermittelte Wechselwirkung  |----- | Photon || 0 || 1 || 0 || elektromagnetische Kraft |----- | Z0 || ca. 91 GeV || 1 || 0 || rowspan="3" | schwache Kraft |----- | W+ || ca. 80 GeV || 1 || 1 |----- | W- || ca. 80 GeV || 1 || -1 |----- | Gluon || 0 || 1 || 0 || starke Kraft (Farbkraft) |----- | (Graviton)  || 0 || 2 || 0 || Gravitation |----- | (Higgs) | zwischen ca. 60 GeV und ca. 540GeV  | 0 || 0 || ----- |}

Es gibt insgesamt 8 Gluonen, die sich in ihrer Farbladung unterscheiden. Das Antiteilchen eines Gluons ist ein anderes Gluon.

Von den anderen elementaren Bosonen gibt es jeweils nur eines. W+ ist das Antiteilchen zu W-, die ungeladenen Bosonen sind ihre eigenen Antiteilchen.

Mesonen (Auswahl)

{| border="1" ! colspan="2" | Teilchen ! Quarks ! Masse·c2 ! mittlere Lebensdauer ! el. L./|e| ! strangeness ! Antiteilchen |----- | Positives Pion || π+ || ud | rowspan="2" valign="top" |  139 MeV | rowspan="2" valign="top" | 2,6·10-8s | + 1 || 0 || Negatives Pion |----- | Negatives Pion || π- || ud | - 1 || 0 || Positives Pion |----- | Neutrales Pion || π0 | uu+dd |  135 MeV || 8,3·10-17s | 0 || 0 ||   |----- | Positives Kaon || K+ || us | rowspan="2" valign="top" |  494 MeV | rowspan="2" valign="top" | 1,2·10-8s | + 1 || + 1 || Negatives Kaon |----- | Negatives Kaon || K- || us | - 1 || - 1 || Positives Kaon |----- | Neutrales Kaon || K0 || ds | rowspan="2" valign="top" |  498 MeV | rowspan="2" valign="top" | 5,2·10-8s und 8,9·10-11s | 0 || + 1 || Anti-Kaon |----- | Anti-Kaon || K0 || ds | 0 || - 1 || Neutrales Kaon |----- | Jot-Psi || J/Ψ || cc | 3097 MeV || 0,8·10-20s | 0 || 0 ||   |----- | Ypsilon || Y || bb | 9460 MeV || 1,3·10-20s | 0 || 0 ||   |}

In der Tabelle wird für das Symbol des Anti-Kaons der Unterstrich verwendet. In Büchern ist dafür (der in HTML nicht darstellbare) Überstrich üblich.

In der Spalte Quarks werden Anti-Quarks unterstrichen und rot dargestellt.
Das neutrale Pion stellt quantenmechanisch eine Überlagerung zweier verschiedener Quark-Kombinationen dar.

Neutrales Kaon und Anti-Kaon kommen jeweils in zwei Versionen mit unterschiedlicher Lebensdauer vor.

Neutrales Pion, Jot-Psi und Ypsilon sind jeweils ihr eigenes Anti-Teilchen.

Baryonen (Auswahl)

{| border="1" ! colspan="2" | Teilchen ! Quarks ! Masse·c2 ! mittlere Lebensdauer ! Spin ! el. L./|e| ! stra. ! charme |----- | Proton || p || uud ||  938,3 MeV | stabil oder > 1032 Jahre | 1/2 || + 1 || 0 || 0 |----- | Neutron || n || udd |  939,6 MeV || 887 s (als freies Neutron) | 1/2 || 0 || 0 || 0 |----- | Lambda || Λ || uds | 1116 MeV || 2,6·10- 10s | 1/2 || 0 || - 1 || 0 |----- | Sigma-Plus || Σ+ || uus | 1189 MeV || 0,8·10- 10s | 1/2 || + 1 || - 1 || 0 |----- | Sigma-Null || Σ0 || uds | 1192 MeV || 5,8·10- 20s | 1/2 || 0 || - 1 || 0 |----- | Sigma-Minus || Σ- || dds | 1197 MeV || 1,5·10- 10s | 1/2 || - 1 || - 1 || 0 |----- | Xi-Null || Ξ0 || uss | 1315 MeV || 2,9·10- 10s | 1/2 || 0 || - 2 || 0 |----- | Xi-Minus || Ξ- || dss | 1321 MeV || 1,6·10- 10s | 1/2 || - 1 || - 2 || 0 |----- | Omega-Minus || Ω- || sss | 1671 MeV || 0,9·10- 10s | 3/2 || - 1 || - 3 || 0 |----- | Lambda-C-Plus || ΛC+ | udc | 2282 MeV || 2,3·10- 13s | 1/2 || + 1 || 0 || + 1 |}

Quellen und Weblinks




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