Elementarteilchen

Einführung

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts war bekannt, dass Atome aus einer Atomhülle und einem Atomkern bestehen. Die Atomhülle besteht aus Elektronen, der Atomkern aus Protonen und Neutronen. Durch Experimente wurde festgestellt, dass Protonen und Neutronen aus noch kleineren Teilchen zusammengesetzt sind und es noch weitere Elementarteilchen geben muss. Man unterscheidet zwischen verschiedene Arten der Elementarteilchen.

Abb. 1: Elementarteilchen des Standardmodells

Fermionen

Fermionen werden auch Materieteilchen genannt. Alle bisher bekannte Materie ist aus diesen Teilchen aufgebaut. Fermionen haben halbzahlige Spinzahlen. Fermionen werden in zwei Gruppen unterteilt. Es gibt Quarks und Leptonen. Sie werden wiederum in drei Generationen unterteilt. Jede Generation besteht aus zwei Quarks und zwei Leptonen. Insgesamt gibt es demnach 6 Quarks und 6 Leptonen. Unser heutiges Univerrsum besteht zu größten Teilen aus Fermionen der ersten Generation. Fermionen der ersten Generation haben die geringste Masse und sind am stabilsten.

Quarks

Die erste Generation von Quarks wird von Up- und Down-Quark gebildet. Charm- und Strange-Quark bilden die zweite Generation. Die dritte Generation besteht aus Top- und Bottom-Quark. Up-, Charm- und Top-Quark haben eine Ladung von $+\dfrac{2}{3}e$ . Down-, Strange- und Bottom-Quark haben eine Ladung von $-\dfrac{1}{3}e$ . Quarks können Bindungen eingehen und so größere Masseteilchen bilden. Das Proton besteht aus zwei Up- und einem Down-Quark. Das Neutron besteht aus einem Up- und zwei Down-Quarks. Die Masse von Proton und Neutron ist nicht gleich der Masse der Quarks aus denen sie aufgebaut sind, sondern höher. Denn durch die Bindung gewinnt das Proton bzw. Neutron Energie, die in Form von Masse auftritt. Es ist grundsätzlich fast jede Kombination aus Quarks als Teilchen möglich, die meisten Teilchen sind allerdings so instabil, dass ihre Lebensdauer zu kurz ist, um sie messen zu können. Des Weiteren ist es möglich, dass Quarks durch Wechselwirkungen ineinander übergehen können. Relativ zueinander ist es wahrscheinlicher, dass ein Quark innerhalb seiner Generation bleibt. Ein Übergang in eine andere Generation hat eine geringere Wahrscheinlichkeit. Ein Top-Quark kann mit höherer Wahrscheinlichkeit in ein Down-Quark übergehen als in ein Strange- oder Bottom-Quark.

Leptonen

Die drei Generationen von Leptonen werden aus Elektron ( $\boldsymbol{e}$ ), Myon ( $\boldsymbol{\mu}$ ) und Tau ( $\boldsymbol{\tau}$ ) und ihrer jeweiligen Neutrinos ( $\boldsymbol{\nu_e} , \boldsymbol{\nu_{\mu}} , \boldsymbol{\nu_{\tau}}$ ) gebildet. Neutrinos haben keine elektrische Ladung. Elektron, Myon und Tau haben die Ladung $-1e$ . Neutrinos, speziell das Elektronneutrino, sind sehr leicht. Ihre Masse konnte noch nicht bestimmt werden, es gibt lediglich Abschätzungen zur Masseobergrenze. Neutrinos können nur über Prozesse der schwachen Wechselwirkung mit anderen Teilchen wechselwirken. Da sie so klein sind und nur schwach wechselwirken, können Neutrinos aus der Sonne die Erde durchdringen ohne aus ihrer Bahn zu geraten. Es treffen pro Sekunde hunderte Millionen Neutrinos auf jeden Quadratmeter der Erde. Nur die wenigsten von ihnen stoßen dabei mit der Erde. Auch Neutrinos können unter bestimmten Umständen ihren Zustand ändern. So können Elektronneutrinos in Myonneutrinos übergehen usw.

Bosonen

Bosonen werden auch Kraftteilchen genannt. Es gibt vier Eichbosonen sowie das Higgs-Boson. Die vier Eichbosonen sind das Photon, das Gluon, das Z- sowie das W $^{\pm}$ -Boson. Bosonen übertragen bei der Wechselwirkung Impuls und Energie zwischen den Teilchen. Die Übertragung ist vergleichbar mit dem Zuwurf eines Balles. Der Werfer erfährt einen Rückstoß entgegen der geworfenen Richtung, der Fänger erhält einen Impuls in Wurfrichtung des Balles. Es wurden Energie sowie Impuls übertragen. Das Higgs-Teilchen ist verantwortlich für die Masse der Teilchen. Lange war unklar, ob es so ein Teilchen gibt. Erst durch Versuche am Teilchenbeschleuniger LHC am CERN konnte man das Teilchen 2012 nachweisen.

Das Photon ist das Austauschteilchen der elektomagnetischen Wechselwirkung. Das Gluon ist das Austauschteilchen der starken Wechselwirkung. Z- und W $^{\pm}$ -Boson sind Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung. Ein Austauschteilchen ist immer dann vorhanden, wenn zwei Materieteilchen miteinander wechselwirken.

Antiteilchen

Jedes Elemtarteilchen hat ein zugehöriges Antiteilchen. Das Antiteilchen verhält sich vollständig symmetrisch zu seinem normalen Teilchen. Es besitzt identische sowie entgegengesetzte Eigenschaften. Das Antiteilchen des Elektrons ist das Positron. Beide Teilchen haben die gleiche Masse, unterscheiden sich allerdings in ihrer Ladung. Das Elektron hat die Elementarladung $-e$ , das Positron $+e$ . Der Betrag der Ladung ist somit gleich, jedoch ist das Elektron negativ, das Positron positiv geladen. Ein Teilchen und ein Antiteilchen können sich annihilieren, wenn sie aufeinander treffen. Das heißt, ein Teilchen und sein Antiteilchen löschen sie sich gegenseitig aus. Es bleibt Energie in Form von Bosonen zurück, die ein neues Teilchen-Antiteilchen-Paar erzeugen können. Im beobachteten Universum ist die Anzahl an Antiteilchen relativ zur Gesamtanzahl an Teilchen sehr gering.

Erhaltungsgrößen

Erhaltungsgrößen von Elementarteilchen bei Wechselwirkungen sind die Energie, der Impuls, die Leptonenzahl, die Baryonenzahl und die Ladung. Die Begriffe Energie- und Impulserhaltung sollten dir bekannt sein. Ladungserhaltung bedeutet, dass die Gesamtladung eines Systems aus Elementarteilchen vor und nach der Wechselwirkung identisch ist. Die Leptonenzahlerhaltung sagt, dass die Anzahl an Leptonen bei einer Wechselwirkung erhalten bleibt. Leptonen wie Elektron, Myon, Tau und ihre Neutrinos haben die Leptonenzahl $+1$ . Ihre Antiteilchen wie Positron oder Anitneutrino haben Leptonenzahl $-1$ . Die Baryonenzahl ist auch erhalten. Ein Baryon besteht immer aus 3 Quarks. Das Proton und das Neutron sind beispielsweise Baryonen. Ein Quark hat die Baryonenzahl $+\dfrac{1}{3}$ . Ein Baryon entsprechend $+1$ . Antiquarks haben die Baryonenzahl $-\dfrac{1}{3}$ . Ein Beispiel zur Veranschaulichung der Erhaltungssätze:

	Leptonen- zahl	Baryonen- zahl	Ladung
Proton	0	+1	+1 $e$
Elektron	+1	0	-1 $e$
$\Sigma$	+1	+1	0
$\rightarrow$	+1	+1	0
Neutron	0	+1	0
Elektron- neutrino	+1	0	0
$\Sigma$	+1	+1	0

Du siehst, dass die Erhaltungsgrößen vor und nach der Wechselwirkung gleich sind.

Erweiterung

Bisher konnte noch nicht geklärt werden, ob und welche Elementarteilchen im Modell ergänzt werden müssen, um dunkle Materie und dunkle Energie beschreiben zu können. Für dunkle Materie gibt es verschiedene Vermutungen. Neutrinos könnten dunkle Materie darstellen. Es gibt aber auch Theorien zu sogenannten WIMPs, Axionen oder MACHOs. Diese Teilchen existieren bisher nur theoretisch, konnten allerdings noch nicht experimentell nachgewiesen werden.