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:

Einteilung nach Wechselwirkung:

Elementarteilchen können mit Hilfe der Wechselwirkung in verschiedene Klassen eingeteilt werden. Zum einen existieren Teilchen, die die Wechselwirkungen zwischen den "eigentlichen" Bausteinen der Materie vermitteln, zum anderen sind da diese den Wechselwirkungen unterliegenden Bausteine selbst. Letztere werden in 2 Unterklassen eingeteilt.

Teilchen, die die Wechselwirkungen vermitteln, werden als Eichbosonen, Austauschteilchen, Botenteilchen oder Intermediäre Bosonen bezeichnet.
Bekannter Vertreter ist das Photon, der Träger der elektromagnetischen Wechselwirkung.
Alle Austauschteilchen besitzen einen ganzzahligen Spin.

Teilchen die der starken Wechselwirkung nicht unterliegen, werden als Leptonen bezeichnet.
Die Theorie der Elektroschwachen Wechselwirkung behandelt die Leptonen als elementare Teilchen.
Bekannte Vertreter sind das Elektron, das Myon und das Neutrino.
Alle Leptonen besitzen den Spin 1/2.

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, den Gluonen zusammengehalten werden.
Bekannte Vertreter sind das Proton und das Neutron.

Einteilung nach Spin:

Hadronen mit ganzzahligem Spin werden als Mesonen bezeichnet.
Mesonen sind aus einem Quark und einem Antiquark (Antiteilchen eines Quarks) aufgebaut.
Das Pion ist ein Meson.

Hadronen mit halbzahligem Spin werden als Baryonen bezeichnet.
Baryonen sind aus drei Quarks aufgebaut.
Proton und Neutron sind Baryonen.

Elementarteilchen mit ganzzahligem Spin ( Eichbosonen, Mesonen ) werden als Bosonen bezeichnet.

Elementarteilchen mit halbzahligem Spin ( Leptonen, Baryonen ) werden als Fermionen bezeichnet.

Einteilung - Zusammenfassung:

Austauschteilchen		... sind Bosonen
Leptonen		... sind Fermionen
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.

Heute bekannten Elementarteilchen:

(Massen größtenteils aus http://www.physik.uni-bonn.de/outreach/temp_tpthemen_elementart.htm])

Leptonen und Quarks:

Familie	Teilchen	Masse·c²	el. Ladung/e	Baryonenzahl	Wechselwirkungen
1. Familie	Elektron (e)	511 keV	-1	0	elektromagnetisch, schwach
	Elektron-Neutrino (ν_e)	<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
2. Familie	Myon (μ)	0,1 GeV	-1	0	elektromagnetisch, schwach
	Myon-Neutrino (ν_μ)	<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
3. Familie	Tau (τ)	1,8 GeV	-1	0	elektromagnetisch, schwach
	Tau-Neutrino (μ_τ)	<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)

Teilchen	Masse·c²	Spin/(h/2π)	el. Ladung/e	vermittelte Wechselwirkung
Photon	0	1	0	elektromagnetische Kraft
Z⁰	ca. 91 GeV	1	0	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.

Hadronen ( Auswahl ):

Teilchen		Quarks	Masse·c²	mittlere Lebensdauer	Spin/(h/2π)	el. Ladung/\|e\|	strangeness	charme
Proton	p	uud	938,3 MeV	stabil oder > 10³² Jahre	1/2	+ 1	0	0
Neutron	n	udd	939,6 MeV	932 s	1/2	0	0	0
Lambda	Λ	uds	1116 MeV	2,6 * 10^{- 10}s	1/2	0	- 1	0
Sigma-Plus	Σ⁺	uus	1189 MeV	0,8 * 10^{- 10}s	1/2	+ 1	- 1	0
Sigma-Null	Σ⁰	uds	1192 MeV	> 10^{- 20}s	1/2	0	- 1	0
Sigma-Minus	Σ^-	dds	1197 MeV	1,5 * 10^{- 10}s	1/2	- 1	- 1	0
Xi-Null	Ξ⁰	uss	1315 MeV	2,9 * 10^{- 10}s	1/2	0	- 2	0
Xi-Minus	Ξ^-	dss	1321 MeV	1,6 * 10^{- 10}s	1/2	- 1	- 2	0
Omega-Minus	Ω^-	sss	1671 MeV	0,9 * 10^{- 10}s	3/2	- 1	- 3	0
Lambda-C-Plus	Λ_C⁺	udc	2282 MeV	2 * 10^{- 13}s	1/2	+ 1	0	+ 1

Weblinks:

http://alephwww.physik.uni-siegen.de/~brandt/abend/sld001.html
- Allgemeinverständlicher Vortrag über Elementarteilchen