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Elementarteilchen

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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, galten die Atome als 'elementare' Teilchen.

Anfang des 20. Jahrhunderts wurde dann entdeckt, dass Atome aus einem Atomkern (bestehend aus Nukleonen {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 weiterer Teilchen (Pion, Neutrino) sowie Antiteilchen entdeckt.

Einteilung der Elementarteilchen

Elementarteilchen haben eine Reihe von Eigenschaften: Masse, verschiedene Ladungen, Spin. Daneben unterscheidet man zusammengesetzte von unteilbaren Elementarteilchen. 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 1/2 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 1/2 und gehören damit der Gruppe der Fermionen an.

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

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

Die 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

Familie Teilchen Masse elektrische Ladung Baryonenzahl  Wechselwirkungen
in Elementarladungen elektromagnetisch stark schwach
1. Familie  Elektron e 511 keV -1 0 ja nein ja
Elektron-Neutrino νe <7 eV 0 0 nein nein ja
Up-Quark u 1,5 bis 4,5 MeV 2/3 1/3 ja ja ja
Down-Quark d 5 bis 8,5 MeV -1/3 1/3 ja ja ja
2. Familie Myon μ 0,106 GeV -1 0 ja nein ja
Myon-Neutrino νμ <0,3 MeV 0 0 nein nein ja
Charm-Quark c 1,0 bis 1,4 GeV 2/3 1/3 ja ja ja
Strange-Quark s 80 bis 155 MeV -1/3 1/3 ja ja ja
3. Familie Tau τ 1,8 GeV -1 0 ja nein ja
Tau-Neutrino ντ <30 MeV  0 0 nein nein ja
Top-Quark t 169 bis 179 GeV 2/3 1/3 ja ja ja
Bottom-Quark b 4,0 bis 4,5 GeV -1/3 1/3 ja ja ja

ist dabei die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

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).

Da Quarks niemals frei sondern nur in Verbindung mit anderen Quarks als Mesonen oder Baryonen vorkommen, sind die Quarkmassen nur sehr ungenau bestimmt.

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 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 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.

Das Higgs-Boson

Das Higgs-Boson ist ein bislang nicht nachgewiesenes, hypothetisches Elementarteilchen. Es wird aufgrund theoretischer Überlegungen mit einer Masse von etwa 110 bis 250 GeV vom Standardmodell der Elementarteilchenphysik vorausgesagt. Das Higgs-Boson (oder Verallgemeinerungen desselben in erweiterten Theorien) ist notwendiger Bestandteil heute akzeptierter Theorien. Ohne das Higgs-Boson kann die Masse der Leptonen und Quarks nicht verstanden werden.

Mesonen (Auswahl)

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 - 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 - 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 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 Spalte Quarks werden Anti-Quarks überstrichen 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)

Teilchen Quarks Masse·c2 Mittlere Lebensdauer Spin Ladung Strangeness 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- 10 s 1/2 0 - 1 0
Delta-Plus-Plus Δ++ uuu 1232 MeV 6·10-24 s 3/2 +1 0 0
Delta-Plus Δ+ uud 1232 MeV 6·10-24 s 3/2 +1 0 0
Delta-Null Δ0 udd 1232 MeV 6·10-24 s 3/2 0 0 0
Delta-Minus Δ- ddd 1232 MeV 6·10-24 s 3/2 -1 0 0
Sigma-Plus Σ+ uus 1189 MeV 0,8·10- 10 s 1/2 + 1 - 1 0
Sigma-Null Σ0 uds 1192 MeV 5,8·10- 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 ΛC+ udc 2282 MeV 2,3·10- 13 s 1/2 + 1 0 + 1
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