Teilchenphysik

Die Teilchenphysik schaut ins Innere der Atome und Atomkerne. Sie behandelt den Aufbau der Materie.

Materie und Strahlung
Man kann den Inhalt unseres Universums in zwei Gruppen einteilen: Materie und Strahlung. Materie sind die Teilchen, aus denen wir bestehen, also die Bestandteile von Atomen. Strahlung ist z.B. Licht. Diese Teilchen vermitteln auch Kräfte zwischen Materieteilchen. Photonen vermitteln die elektrische Kraft und sog. Gluonen erzeugen die Kernkräfte.

Aufbau von Materie
Gewöhnliche Materie besteht aus Atomen. Atome bestehen aus Elektronen und Atomkernen. Elektronen sind nach dem gegenwärtigen Stand der Wissenschaft echte Elementarteilchen, d.h. sie haben keine Strukur, man kann sie nicht von Punkten unterscheiden. Die Elektronen sind die wichtigsten Vertreter der Materiefamilie namens Leptonen.
Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen, beide bestehen aus Quarks, in diesem Fall aus up- und down-quarks. Die Quarks bilden die andere grosse Materiefamilien.

Leptonen
Die Familie der Leptonen besteht drei Generationen mit je einem massiven Teilchen und einem Neutrino.

Elektron e^-	Myon μ^-	Tauon τ^-
Elektron-Neutrino ν_e	Myon-Neutrino ν_μ	Tau-Neutrino ν_τ

Zu jedem Lepton gibt es noch ein Antiteilchen.

Die Leptonen reagieren nur auf die Schwerkraft, die schwache Kraft und die elektrische Kraft, falls sie geladen sind. Die Leptonen verbinden sich nicht zu massiveren Teilchen und sie haben keine angeregten Zustände.
Myon und Tauon sind unstabil und zerfallen in Elektronen und Neutrini. Weil es kein leichteres, geladenes Lepton gibt, ist das Elektron stabil.

Neutrinos sind elektrisch neutral und wechselwirken fast nicht mit gewöhnlicher Materien. Sie können problemlos die ganze Erde durchqueren, deshalb sind sie schwierig nachzuweisen. Sie haben, wenn überhaupt, eine sehr kleine Masse.

Elektron und Elektronneutrino sind Träger der Eigenschaft "Elektronenzahl". Die Elektronenzahl ist eine Erhaltungsgrösse, analog Myonenzahl, Tauonenzahl. Wenn ein Myon in ein Elektron zerfällt, so muss die Myonenzahl einem Myon-Neutrino mitgegeben werden, und da ein Elektron neu entsteht, muss gleichzeitig ein Elektron-Antineutrino entstehen, damit die Elektronenzahl konstant bleibt.

Quarks
Die Familie der Quarks besteht drei Generationen mit je zwei Mitgliedern.

up q=2e/3	strange q=2e/3	bottom q=2e/3
down q=-e/3	charm q=-e/3	top q=-e/3

Jedes Quark gibt es in drei verschiedenen "Farbladungen" sowie als Antiteilchen.

Quarks sind noch nie einzeln beobachtet worden. Quarks müssen sich stets so gruppieren, dass die Ladung des resultierenden Teilchens ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung hat sowie farbneutral ("weiss") ist.
Quarks werden durch die starke Kraft an einander gebunden. Die starke Kraft wirkt auf die sogenannte Farbladung, die es in den Varianten rot, grün und blau gibt, sowie antirot, antigrün und antiblau. Man kann so eine Analogie zur Farbenlehre machen, entsprechend heisst die Theorie der starken Kraft Quantenchromodynamik.

Teilchenzoo
Jene Teilchen, die aus Quarks zusammengesetzt sind und deshalb auf die starke Kraft reagieren, heissen Hadronen. Bei den Hadronen gibt es zwei wichtige Untergruppen: Mesonen und Baryonen.

Mesonen bestehen aus zwei Quarks: Einem Quark und einem Antiquark. Die leichtesten Mesonen heissen Pionen. Sie bestehen aus einem up und einem Antidown (oder umgekehrt oder beides). Es gibt drei Pionen: π⁰, π⁺ und π^-. Das π^- ist das Antiteilchen des π⁺, das neutrale π⁰ ist sein eigenes Antiteilchen. Pionen sind instabil und zerfallen nach kurzer Zeit.

Baryonen bestehen aus drei Quarks. Die leichtesten Baryonen sind das Proton und das Neutron. Das Proton besteht aus zwei up und einem down-quark: p = uud. Fürs Neutron gilt n = udd. Das Neutron ist stabil gegenüber der starken Kraft, aber die schwache Wechselwirkung kann ein down-quark in ein up umwandeln; dann wird aus dem Neutron ein Proton.

Sowohl Mesonen als auch Baryonen haben angeregte Zustände, sog. Resonanzen (wie bei Atomen).
Es gibt auch Tetraquarks und Pentaquarks, aber diese Zustände sind sehr unstabil.

Strahlung
Strahlungsteilchen vermitteln Kräfte. Im Standardmodell gibt es vier davon:

Wechselwirkung	stark	schwach	elektromagnetisch	gravitativ
Teilchen	Gluonen	Z⁰,W^±	Photon	Graviton (?)

Ausserdem gibt es das Higgs-Boson, das den Teilchen Masse verleiht.

Das Graviton ist hypothetisch.
(Virtuelle) Photonen vermitteln die elektrische Kraft. Weil Photonen keine Ruhemasse haben, ist die Reichweite der elektrischen Kraft unendlich gross.
Die Teilchen W und Z vermitteln die schwache Kraft. Weil diese Teilchen sehr schwer sind, ist die Reichweite der schwachen Kraft gering.
Gluonen tragen selbst Farbladung, d.h. die Kraftteilchen wirken auf sich selbst ein. Das macht die Kraftgesetze mathematisch schwierig und es verhindert, dass man freie Gluonen beobachten kann.

Ergänzungen: Zusatz

erste Version: 12. Oktober 2008 / Lie.
Revisionen: 27. Juli 2023 / Lie.

Zurück zur Startseite des Repetitoriums