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 Elementarteilchen im eigentlichen Sinne, 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, die in Baryonen, Mesonen und Leptonen unterteilt wurden. In die gleiche Zeit fällt die Entdeckung der Antiteilchen.

Mit der Entwicklung der Quantenchromodynamik gelang eine einheitliche Beschreibung der Baryonen und Mesonen durch elementare Quarks, die durch Gluonen zusammengehalten werden. Baryonen sind aus jeweils drei Quarks zusammengesetzt. Protonen und Neutronen sind Baryonen. Mesonen sind aus einem Quark und einem Antiquark (Antiteilchen eines Quarks) aufgebaut. Das Pion ist ein Meson.

Die Theorie der Elektroschwachen Wechselwirkung behandelt die Leptonen als elementare Teilchen. Das Elektron, das Myon und das Neutrino sind Leptonen.

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.

In den Quantenfeldtheorien werden Elementarteilchen in zwei Gruppen unterteilt:

Fermionen, Elementarteilchen mit halbzahligem Spin, die Bausteine der Materie sind, und
Bosonen, Elementarteilchen mit ganzzahligem Spin, die Wechselwirkungen zwischen Fermionen vermitteln.

Die heute bekannten Elementarteilchen (Massen größtenteils aus [1]):

Fermionen:

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).

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.

Bosonen (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.

Links

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