Elementarteilchen

Elementarteilchen sind die kleinsten bekannten Bausteine der Materie. Elementarteilchen ohne jede innere Struktur (und in diesem Sinne absolut unteilbar) bezeichnet man als Fundamentalteilchen. Es gibt allerdings auch Elementarteilchen mit innerer Struktur (sie bestehen aus Quarks); auch diese Teilchen sind (im erweiterten Sinn) unteilbar, da sie nicht in einzelne Quarks zerteilt werden können (siehe Confinement). Unteilbarkeit steht dabei nicht im Widerspruch zum Zerfall dieser Teilchen in andere Teilchen, da es sich dabei in Wirklichkeit um Umwandlungsprozesse handelt.

Nachdem die Atomtheorie des Demokrit sich durch die Entwicklung der Chemie im 18. Jahrhundert bestätigte, galten die Atome als 'elementare' Teilchen. Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckte man, dass Atome aus einem Atomkern (bestehend aus Nukleonen, also 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 Teilchen, die das Atom aufbauen, wurde - zunächst hauptsächlich in der kosmischen Strahlung - eine Vielzahl weiterer Teilchen (Myon, Pion, Kaon, ...) sowie Antiteilchen entdeckt. Des weiteren stieß man auf eine Substruktur der Nukleonen, die Quarks.

Im Ergebnis folgte die Entwicklung des Standardmodells des Elementarteilchenphysik. Es enthält alle Teilchen, die aus heutiger Sicht als Elementarteilchen gelten.

Einteilung der Elementarteilchen

Elementarteilchen haben eine Reihe von Eigenschaften (Masse, verschiedene Ladungen, Spin), welche sich im Allgemeinen nicht mit Begriffen aus unserem Alltag beschreiben lassen, da Elementarteilchen aufgrund ihrer geringen Größe quantenmechanischen Gesetzmäßigkeiten gehorchen. Solche Eigenschaften erlauben eine Einteilung der bekannten Elementarteilchen.

Einteilung nach Funktion

Drei der Grundkräfte der Physik sind für die Elementarteilchen relevant:

Diese Wechselwirkungen werden in Quantenfeldtheorien (Quantenchromodynamik, Glashow-Weinberg-Salam-Modell der elektroschwachen Wechselwirkung, Quantenelektrodynamik) beschrieben. Die Gravitation kann man, aufgrund ihrer relativ geringen Stärke, im Wirkungsraum des Inneren eines Atoms vernachlässigen.

Je nach der Wechselwirkung, der ein Elementarteilchen unterliegt, 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 ½ und gehören damit der Gruppe der Fermionen an. Hadronen werden weiter unterteilt in Mesonen (Bestehen aus einem Quark und einem Antiquark (dem Antiteilchen eines Quarks)) und Baryonen (Bestehen aus drei Quarks, (bzw. Antibaryonen aus jeweils drei Antiquarks)). Nur Baryonen können Atomkerne bilden. Bekannte Baryonen 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 ½ und gehören damit der Gruppe der Fermionen an.

Elementarteilchen und zusammengesetzte Teilchen

Alle beobachteten Elementarteilchen sind entweder selbst fundamental (also ohne innere Struktur), oder sind als Bindungszustand solcher Fundamentalteilchen verstanden worden. Man betrachtet heute Quarks, Leptonen sowie Eichbosonen als fundamental. Quarks und Leptonen haben alle einen Spin von ½; alle Eichbosonen besitzen einen Spin von 1 (das hypothetische Graviton hätte einen Spin von 2).

Zusammengesetzte Teilchen entstehen aus der Kombination dreier Quarks (Baryon, Spin ½ oder 1½) 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.

Es gibt jedoch auch Hinweise für Bindungen mit mehr als 3 Quarks: Ein stabiler Bindungszustand von 5 Quarks (Pentaquark) wurde 1997 theoretisch vorhergesagt; 2003 wurden erste experimentelle Hinweise auf seine Existenz gefunden. Da das Pentaquark aber nicht in allen Experimenten gesehen wird, gilt es derzeit noch als experimentell nicht gesichert. Ebenfalls 2003 entdeckte das japanische Belle-Experiment ein neues Teilchen, die Entdeckung wurde kurz darauf durch das amerikanische CDF-Experiment bestätigt. Das derzeit unter dem Namen X(3872) geführte Teilchen wird nach bisherigen Ergebnissen als 4-Quark Bindungszustand gedeutet (2 Quarks und 2 Antiquarks). Bis Anfang 2006 wurden von Belle noch sechs weitere, bisher unbekannte Teilchen entdeckt, deren theoretische und experimentelle Untersuchung noch andauert.

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

Austauschteilchen		… sind Bosonen
Leptonen		… sind Fermionen
Hadronen	Mesonen	… sind Bosonen
	Baryonen	… sind Fermionen

Die Quantenfeldtheorien beschreiben die Wechselwirkung der Fundamentalteilchen (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

Familie	Teilchen		Masse $\cdot c^{2}$	Lebensdauer	elektrische Ladung	Baryonen- zahl	Wechselwirkungen
Familie	Teilchen		Masse $\cdot c^{2}$	Lebensdauer	in Elementar- ladungen	Baryonen- zahl	elektro- magnetisch	stark	schwach
1. Familie	Elektron	e	511 keV	stabil	−1	0	ja	nein	ja
	Elektron-Neutrino	ν_e	<3 eV	Neutrinooszillation	0	0	nein	nein	ja
	Up-Quark	u	1,5 bis 4,5 MeV	frei nicht existent	2/3	1/3	ja	ja	ja
	Down-Quark	d	5 bis 8,5 MeV	frei nicht existent	−1/3	1/3	ja	ja	ja
2. Familie	Myon	μ	0,106 GeV	$2{,}2\cdot 10^{-6}s$	−1	0	ja	nein	ja
	Myon-Neutrino	ν_μ	< 0,3 MeV	Neutrinooszillation	0	0	nein	nein	ja
	Charm-Quark	c	1,0 bis 1,4 GeV	frei nicht existent	2/3	1/3	ja	ja	ja
	Strange-Quark	s	80 bis 155 MeV	frei nicht existent	−1/3	1/3	ja	ja	ja
3. Familie	Tau	τ	1,777 GeV	$3\cdot 10^{-13}s$	−1	0	ja	nein	ja
	Tau-Neutrino	ν_τ	<30 MeV	Neutrinooszillation	0	0	nein	nein	ja
	Top-Quark	t	169 bis 179 GeV	frei nicht existent	2/3	1/3	ja	ja	ja
	Bottom-Quark	b	4,0 bis 4,5 GeV	frei nicht existent	−1/3	1/3	ja	ja	ja

$c$ ist dabei die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Die oben genannten Quarks kommen in jeweils drei Arten vor, die sich durch die Farbladung unterscheiden: jeweils ein rotes, blaues und grünes (die Farbladung hat nichts mit der sichtbaren Farbe zu tun). Da Quarks niemals frei sondern nur in Verbindung mit anderen Quarks als Mesonen oder Baryonen auftreten (siehe Confinement), sind die Quarkmassen nur sehr ungenau bestimmt. Für top- und bottom-Quark waren auch die Namen truth- und beauty-Quark gebräuchlich.

Zu jedem der oben genannten Fermionen gibt es ein Antiteilchen, die generell durch die vorangestellte Silbe Anti- gekennzeichnet werden. Aus historischen Gründen trägt das Antiteilchen des Elektrons die Bezeichnung Positron.

Eichbosonen

(in Klammern: Teilchen vermutet, noch nicht gefunden)

Teilchen	Masse·c²	Spin	Ladung	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

Es gibt insgesamt 8 Gluonen, die jeweils Kombinationen zweier Farbladungen tragen, und die Wechselwirkung zwischen diesen beiden Farbladungen vermitteln. Sie haben keine individuellen Namen bekommen, im Unterschied zu den 3 Bosonen, die die schwache Wechselwirkung vermitteln: W⁺, W⁻ und das neutrale Z-Boson. Die elektromagnetische Wechselwirkung wird durch nur 1 Boson vermittelt, dem Photon.

Das Higgs-Boson

Das Higgs-Boson ist ein bislang nicht nachgewiesenes, hypothetisches Elementarteilchen. Es wird aufgrund theoretischer Überlegungen vom Standardmodell der Elementarteilchenphysik vorausgesagt. Um konsistent mit bisherigen experimentellen Daten zu sein, erwartet man eine Masse von etwa 110 bis 250 GeV. Das Higgs-Boson (oder Verallgemeinerungen desselben in erweiterten Theorien) ist notwendiger Bestandteil heute akzeptierter Theorien, da erst durch die Wechselwirkung mit dem Higgs-Boson die Masse der (in der Theorie ursprünglich masselosen) Leptonen und Quarks generiert wird.

Mesonen (Auswahl)

Mesonen sind Bindungszustände aus Quark und Antiquark, und sind demnach keine Fundamentalteilchen.

Teilchen		Quarks	Masse·c²	mittlere Lebensdauer	Ladung	Strangeness	Antiteilchen
Positives Pion	π⁺	ud	139 MeV	2,6·10⁻⁸s	+ 1	0	Negatives Pion
Negatives Pion	π⁻	ud	139 MeV	2,6·10⁻⁸s	− 1	0	Positives Pion
Neutrales Pion	π⁰	uu+dd	135 MeV	8,3·10⁻¹⁷s	0	0
Positives Kaon	K⁺	us	494 MeV	1,2·10⁻⁸s	+ 1	+ 1	Negatives Kaon
Negatives Kaon	K⁻	us	494 MeV	1,2·10⁻⁸s	− 1	− 1	Positives Kaon
Neutrales Kaon	K⁰	ds	498 MeV	5,2·10⁻⁸s und 8,9·10⁻¹¹s	0	+ 1	Anti-Kaon
Anti-Kaon	K⁰	ds	498 MeV	5,2·10⁻⁸s und 8,9·10⁻¹¹s	0	− 1	Neutrales Kaon
Neutrales D	D⁰	cu	1870 MeV	10⁻¹²s	0	0
Positives D	D⁺	cd	1870 MeV	4·10⁻¹³s	+ 1	0
Jot-Psi	J/Ψ	cc	3097 MeV	0,8·10⁻²⁰s	0	0
Upsilon	Y	bb	9460 MeV	1,3·10⁻²⁰s	0	0

In der Spalte Quarks werden Anti-Quarks überstrichen und rot dargestellt. Im allgemeinen können quantenmechanische Überlagerungen verschiedener Quark-Kombinationen auftreten, wie zum Beispiel beim neutralen Pion oder Kaon. Bei letzterem sind die experimentell beobachtbaren Zustände nicht Kaon und Antikaon, sondern die Überlagerungen $K_{L}$ und $K_{S}$ , die sich in ihrer Lebensdauer stark unterscheiden.

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

Baryonen (Auswahl)

Baryonen sind Bindungszustände aus drei Quarks (analog Antibaryonen aus drei Antiquarks), und sind demnach keine Fundamentalteilchen.

Teilchen		Quarks	Masse·c²	Mittlere Lebensdauer	Spin	Ladung	Strangeness	Charm
Proton	p	uud	938,3 MeV	stabil oder > 10³² Jahre	½	+ 1	0	0
Neutron	n	udd	939,6 MeV	887 s (als freies Neutron)	½	0	0	0
Lambda	Λ	uds	1116 MeV	2,6·10⁻¹⁰ s	½	0	− 1	0
Delta-Plus-Plus	Δ⁺⁺	uuu	1232 MeV	6·10⁻²⁴ s	1½	+ 2	0	0
Delta-Plus	Δ⁺	uud	1232 MeV	6·10⁻²⁴ s	1½	+ 1	0	0
Delta-Null	Δ⁰	udd	1232 MeV	6·10⁻²⁴ s	1½	0	0	0
Delta-Minus	Δ⁻	ddd	1232 MeV	6·10⁻²⁴ s	1½	− 1	0	0
Sigma-Plus	Σ⁺	uus	1189 MeV	0,8·10⁻¹⁰ s	½	+ 1	− 1	0
Sigma-Null	Σ⁰	uds	1192 MeV	5,8·10⁻²⁰ s	½	0	− 1	0
Sigma-Minus	Σ⁻	dds	1197 MeV	1,5·10⁻¹⁰ s	½	− 1	− 1	0
Xi-Null	Ξ⁰	uss	1315 MeV	2,9·10⁻¹⁰ s	½	0	− 2	0
Xi-Minus	Ξ⁻	dss	1321 MeV	1,6·10⁻¹⁰ s	½	− 1	− 2	0
Omega-Minus	Ω⁻	sss	1671 MeV	0,9·10⁻¹⁰ s	1½	− 1	− 3	0
Lambda-C-Plus	Λ_C⁺	udc	2282 MeV	2,3·10⁻¹³ s	½	+ 1	0	+ 1

Quellen und Weblinks

Wiktionary: Elementarteilchen – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Datenquelle zu Leptonen und Quarks, Eichbosonen:
- Massen größtenteils aus http://www.teilchenphysik.org/temp_tpthemen_elementart.htm

Datenquellen zu Mesonen, Baryonen:
- Kleine Enzyklopädie Physik, Leipzig, 1986, ISBN 3-323-00011-0
- dtv-Atlas zur Physik 2, München, 1988, ISBN 3-423-03227-8
- Harald Fritzsch: Quarks, München, 2001, ISBN 3-492-21655-2
- KworkQuark - DESYs Teilchenphysik-Online

Englischsprachige Datenquellen:
- Particle Data Group

Weitere Weblinks: