Teilchenphysik

Kern-/Teilchenphysik

Teilchenphysik

  • Was ist der Unterschied zwischen Teilchen …
  • … und ihren Antiteilchen?
  • Welche fundamentalen Wechselwirkungen kennen wir?
  • Wie sieht das Standardmodell der Elementarteilchen aus?

Ein Foto vom Aufbau des ATLAS Detektors, der größten und kompliziertesten Maschine, die je von Menschen gebaut wurde. Das Ziel von ATLAS: Teilchenkollisionen am CERN aufzeichnen und damit die fundamentalen Fragen der Menschheit beantworten. © 2005 CERN

Die Teilchenphysik ist ein relativ junger Bereich der modernen Physik und beschäftigt sich mit den elementaren Bausteinen der Materie und damit, wie diese sogenannten "Elementarteilchen" miteinander wechselwirken. Als Elementarteilchen bezeichnet die Teilchenphysik diejenigen Bausteine der Materie, die nach gegenwärtigem Erkenntnisstand nicht aus anderen Teilchen bestehen. Im Rahmen der Forschung in der Teilchenphysik versuchen Wissenschaftler durch extrem aufwändige Experimente  fundamentale Fragen der Menschheit zu beantworten, zum Beispiel: „Wie ist unser Universum und alle Materie darin entstanden und wie wird es sich weiter entwickeln?" Am Forschungszentrum CERN in der Schweiz arbeiten Teilchenphysiker in großen Teams aus mehreren tausend Wissenschaftlern aus der ganzen Welt zusammen. Beim ATLAS-Experiment wird ein 46 Meter langer und 25 Meter hoher Teilchendetektor genutzt (siehe Bild rechts). Einen Einblick in die Entwicklung des Universums und die offenen Fragen der Teilchenphysik bietet das folgende Video.

Was sind Elementarteilchen? Als Elementarteilchen werden alle Bestandteile des Universums bezeichnet, bei denen davon auszugehen ist, dass sie nicht wei­ter teilbar sind. Elementarteilchen besitzen keine Struktur oder Form – zumindest keine, die sich mit heutigen Messinstrumenten messen ließe. In vielen Modellen und Abbildungen werden Elementarteilchen zugunsten der Anschaulichkeit dennoch als kleine farbige Kügelchen dargestellt. Nach heutigem Kenntnisstand ist zum Beispiel das Elektron ein elementares Teilchen. Die Bausteine aus denen Atomkerne aufgebaut sind, also Protonen und Neutronen, sind dagegen nicht elementar: Sie bestehen jeweils aus drei Quarks. Alle Elementarteilchen derselben Sorte (z.B. alle Elektronen) besitzen die gleiche Masse und gleichen Ladungen.

Aufbau eines Atoms aus Elementarteilchen. Elementarteilchen sind das Elektron und die Quarks. Quelle: Netzwerk Teilchenwelt

Im Folgenden erhältst du einen Einblick in die fundamentalen Prinzipien und Forschungsmethoden der Teilchenphysik. Auch die Suche nach dem Higgs-Teilchen wird kurz vorgestellt, für deren theoretische Grundlagen 2013 der Physik-Nobelpreis verliehen wurde.

Ein Ziel der modernen Physik ist eine einheitliche Theorie zur Beschreibung aller Phänomene in der Welt zu finden. Tatsächlich kann man bereits heute verschiedene Dinge innerhalb einer gemeinsamen Theorie beschreiben.

Ein Beispiel für die Vereinfachung physikalischer Theorien ist die Gravitationstheorie. Beschrieben früher die Fallgesetze von Galileo GALILEI die Bewegungen auf der Erde und die KEPLERschen Gesetze die Planetenbahnen in unserem Sonnensystem, so formulierte Sir Isaac NEWTON 1686 eine Theorie der Gravitation, die sowohl die Schwerkraft auf der Erde als auch die Bewegung der Planeten im Sonnensystem beschreibt. NEWTON erkannte, dass die Bewegungen auf der Erde und im Sonnensystem derselben Kraft unterliegen: Planeten und z.B. Äpfel unterliegen beide der Gravitationskraft.

Einen weiteren wichtigen Schritt zur Vereinfachung vollzog James Clerk MAXWELL im Jahr 1864. MAXWELL veröffentlichte eine Theorie, die zwei scheinbar völlig unterschiedliche Phänomene, den Magnetismus und die Elektrizität, gemeinsam innerhalb eines Modells beschreibt. Die Theorie des Elektromagnetismus baut auf den Arbeiten von Christian OERSTEDT und Michael FARADAY auf und ist ein wichtiges Beispiel dafür, wie durch jahrelange Forschung Theorien vereint werden können und damit die Anzahl an notwendigen Gesetzen und Annahmen abnimmt.

In den Jahren zwischen 1961 und 1967 gelang die Vereinheitlichung von zwei weiteren Theorien: Die Theorie der elektromagnetischen Wechselwirkung und die Theorie der schwachen Wechselwirkung konnten in einer gemeinsamen Theorie der "Elektroschwachen Wechselwirkung" beschrieben werden. Für wesentliche Beiträge zu dieser Theorie erhielten Abdus SALAM, Sheldon GLASHOW und Steven WEINBERG 1979 den Physiknobelpreis. (Den Begriff Wechselwirkung kannst du zunächst mit "Kraft" übersetzen, im nächsten Abschnitt wird der Begriff genau erklärt.)

Ein großes Ziel der Teilchenphysiker ist es im Moment, eine "große vereinheitlichte Theorie" zu finden und damit alle Phänomene außer der Gravitation in einer gemeinsamen Theorie zu beschrieben. Eine Weltformel würde dann auch noch die Gravitation einschließen, alle Phänomene im Universum könnten dann mit einer einzigen Theorie ("Theory of everything") beschrieben werden. Mit dieser Forschung begibt man sich zurück in der Geschichte des Universums, denn man nimmt an, dass zum Zeitpunkt des Urknalls alle Kräfte unter einer einzigen vereint waren.

Der Erfolg der Forschung und Vereinfachung in den vergangenen Jahren und Ziele für die nahe Zukunft lassen sich aus der folgenden Abbildung ablesen.

Zeitleiste des wissenschaftlichen Fortschritts in der Physik unter dem Prinzip der Vereinfachung. Das Standardmodell der Teilchenphysik bildet unseren heutigen Erkenntnisstand ab.

Im Wechselspiel zwischen vielen experimentellen Ergebnissen und verschiedenen theoretischen Modellen ist in mehreren Schritten zwischen 1961 und 1973 das "Standardmodell der Teilchenphysik" entstanden. Obwohl es diesen bescheidenen Namen behalten hat, gilt es heute, über 40 Jahre später, als die bisher tiefste Erkenntnis, die die Naturwissenschaft über Entstehung, Aufbau und Verhalten der Materie in unserem Universum hervorgebracht hat. Alle bisher beobachteten subatomaren Vorgänge entsprechen perfekt den Vorhersagen des Standardmodells.

Verbindung der drei Begriffe Ladungen, Wechselwirkungen und Teilchen im Standardmodell.

Die revolutionäre Erkenntnis des Standardmodells besteht nun darin, dass sich diese Beziehungen eindeutig auf Symmetrien zurückführen lassen. Dabei versteht man unter einer Symmetrie einen Vorgang, dessen Anwendung wirkungslos bleibt. Dreht man z.B. einen Kreis, so sieht er danach noch genauso aus. Man sagt ein Kreis sei "rotationssymmetrisch". Das Standardmodell hat erkannt, dass die Natur versucht, so perfekt flexibel zu sein, dass überall unterschiedlich stattfindende "lokale Umeichungen" von Ladungen komplett wirkungslos sind. Deshalb heißt das grundlegende Prinzip des Standardmodells und damit des Aufbaus unserer Welt auch "Lokale Eichsymmetrie". Wie man sich diese Eichsymmetrien als Drehungen vorstellen kann, lernt man in einem Physik- oder Mathematikstudium. Faszinierend dabei ist aber, dass aus solchen lokalen Symmetrien immer Wechselwirkungen entstehen, deren Eigenschaften sich komplett aus den Symmetrien vorhersagen lassen.

Stellt euch mal vor, jedes Teilchen wäre ein Fußballverein der Bundesliga und die Ladungen deren Trainer. Auf die Bundesliga angewandt wäre eine lokale Umeichung (Rotation der Trainer) dann, wenn sich diese an jedem Ort anders ändern: Tuchel geht von Mainz nach Bayern, Guardiola von Bayern zu Dortmund, Klopp von Dortmund zu Schalke u.s.w. u.s.w. Und Trainer-eichsymmetrisch wäre die Bundesliga, wenn dann alle Spiele trotzdem genau dasselbe Ergebnis liefern. Bei Teilchen funktioniert das! Aber es macht Wechselwirkungen zwischen den Teilchen nötig. In der Bundesliga wäre das ähnlich, denn die Trainer der Vereine müssten sich z.B. über What's App unterhalten, die Vereine also miteinander wechselwirken: Tuchel müsste Guardiola fragen, "he, wie verhindere ich denn am besten, dass der Schweini nur Fehlpässe spielt?" Das Großartige an diesen Eichsymmetrien ist, dass sie ganz genau vorschreiben, über welche Medien (Botenteilchen) die Unterhaltungen (Wechselwirkungen) zwischen den Vereinen (Teilchen) ablaufen und helfen, sie anhand ihrer Trainer (Ladungen) in Kategorien wie Bundesliga oder zweite Liga (Quarks oder Leptonen) einzuteilen.

Was verstehen wir unter dem Begriff Wechselwirkung?

Physikalische Phänomene erklärt das Standardmodell durch Wechselwirkungen. Nach dem aktuellen Stand der Forschung kennen wir genau vier verschiedene Wechselwirkungen: Die starke Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung, die elektromagnetische Wechselwirkung und die Gravitation. Mit diesen vier fundamentalen Wechselwirkungen könnten wir alle Phänomene und alle Prozesse, die wir bisher auf der Erde oder im Weltall beobachtet haben, beschreiben.

Über die Gravitation wechselwirkt zum Beispiel ein Apfel mit der Erde, Apfel und Erde treten in Wechselwirkung. Beim Betazerfall(1) wandeln sich Teilchen ineinander um, auch das passiert, weil Teilchen miteinander wechselwirken, in diesem Fall über die sogenannte schwache Wechselwirkung. Eigentlich stoßen sich die elektrisch positiv geladenen Protonen im Atomkern als Folge der elektromagnetischen Wechselwirkung ab. Dass der Atomkern dennoch zusammenhält, liegt an der starken Wechselwirkung, die u. a. für Anziehungskräfte zwischen den Kernbausteinen verantwortlich ist. Eine Wechselwirkung kann man unter anderem durch Kräfte charakterisieren. Keinesfalls darf man aber die Begriffe Wechselwirkung und Kraft gleichsetzen, denn der Begriff der Wechselwirkung ist viel allgemeiner. Im Folgenden verwenden wir daher nur noch den Begriff Wechselwirkung.

Kennt man die vier fundamentalen Wechselwirkungen, dann kann man die lange Liste an Kräften und physikalischen Phänomenen, die man im Laufe des Physikunterrichts kennenlernt, erheblich verkürzen. Das ist ganz im Sinne des Prinzips der Vereinfachung.

Die Theorie des  Standardmodells der Teilchenphysik beschreibt drei der vier Wechselwirkungen. (die Gravitation spielt für einzelne Teilchen wegen ihrer kleinen Massen keine Rolle). Die wichtige Erkenntnis ist dabei, dass zu jeder Wechselwirkung eine eigene Ladung gehört, die sie generiert. Besitzt ein Teilchen diese Ladung, so unterliegt es der zugehörigen Wechselwirkung, ist die Ladung Null, so unterliegt es der jeweiligen Wechselwirkung nicht. Die Grundidee des Standardmodells ist also: Wechselwirkungen werden von Ladungen generiert, deren Wert angibt, wie sensitiv ein Teilchen für diese bestimmte Wechselwirkung ist: Ein zweifach elektrisch positiv geladener Heliumkern wird von einem Elektron z.B. doppelt so stark elektrisch angezogen, wie ein einfach elektrisch positiv geladenes Proton. Ein Neutron wird von einem Elektron elektrisch gar nicht angezogen, weil das Neutron keine Elektrische Ladung trägt, allerdings tragen beide eine schwache Ladung, so dass zwischen ihnen schwache Wechselwirkung stattfinden kann.

(1) Beim "Betazerfall" handelt es sich in Wirklichkeit nicht um einen Zerfall von Teilchen, sondern um eine Umwandlung von Teilchen. Man sollte also besser von "Betaumwandlung" sprechen. Aus historischen Gründen spricht man aber vom Betazerfall, wir werden uns an diese Sprechweise halten.

Übersicht über die fundamentalen Wechselwirkungen

In der folgenden Tabelle sind die vier fundamentalen Wechselwirkungen übersichtlich zusammengestellt. Wenn du mehr erfahren möchtest, so klicke auf die verschiedenen Links.

Wechselwirkung

starke Wechselwirkung

schwache Wechselwirkung

elektromagnetische Wechselwirkung

Gravitation

Beispiele für Wirkung Zusammenhalt des Protons Betazerfall: Ein Proton wandelt sich in ein Neutron um (oder umgekehrt).
Kernfusion: In der Sonne verschmelzen vier Protonen zu einem Heliumkern.
Magnetismus, Licht, ...; Chemische Bindungen; Photoeffekt Anziehung zwischen Massen: Schwerkraft, Umlauf der Planeten um die Sonne
Ladung Starke Ladung (Farbladung) Schwache Ladung Elektrische Ladung  
Botenteilchen Gluonen  \({\rm{W}}^{+}\), \({\rm{W}}^{-}\), \(\rm{Z}\)  Photon  
Reichweite \({2 \cdot 10^{ - 15}}\,{\rm{m}}\)
(Protonendurchmesser)
\({2 \cdot 10^{ - 18}}\,{\rm{m}}\)
(\(\frac{1}{{1000}}\) Protonendurchmesser)
unbegrenzt unbegrenzt

Kopplungsparameter

\[\alpha _{\rm{S}} \approx \frac{1}{{{2}}},.,\frac{1}{{{10}}}\] \[{\alpha _{\rm{W}}} \approx \frac{1}{30}\] \[{\alpha _{\rm{em}}} \approx \frac{1}{137}\] \[\alpha _{\rm{grav}} \approx \frac{1}{{{{10}^{45}}}},.,\frac{1}{{{{10}^{38}}}}\]
Verständnisaufgabe

Alle mechanischen Kräfte lassen sich auf fundamentale Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen der Materie zurückführen. Erläutere, welche Wechselwirkung dafür verantwortlich ist, dass wir z.B. nicht durch Wände gehen können.

Lösung

Wenn wir uns gegen eine Wand lehnen, dann stoßen auf der Ebene der Elementarteilchen Atomhüllen aneinander. Die elektromagnetische Wechselwirkung verhindert, dass diese sich durchdringen, denn die jeweils negativ geladenen Elektronen in den Atomhüllen stoßen sich ab. Hinzu kommt das Pauli-Prinzip, das besagt, dass sich zwei Elektronen innerhalb eines Atoms nicht im gleichen Zustand befinden können. Deswegen können sich gefüllte Orbitale nicht überlappen und wir können nicht durch Wände gehen.

Erläutere, welche der vier fundamentalen Wechselwirkungen wir direkt im Alltag erfahren und welche nicht und begründe deine Ansicht.

Lösung

Die Reichweiten der Gravitation und der elektromagnetischen Wechselwirkung sind prinzipiell unbegrenzt. Daher spielen sie für makroskopische Objekte eine Rolle, so dass wir sie direkt erfahren. Die starke und die schwache Wechselwirkung erfahren wir nicht direkt, da ihre Reichweiten zu gering sind. Jedoch spielen sie trotzdem eine lebenswichtige Rolle: Die starke Wechselwirkung sorgt dafür, dass Atomkerne stabil sein können; die schwache Wechselwirkung ermöglicht unter anderem die Kernfusion, mit der die Sonne ihre Energie erzeugt – ohne sie gäbe es kein Leben auf der Erde.

Alle Prozesse gehorchen gewissen Regeln. Zwei wichtige Regeln kennst du schon aus der Mechanik: Für ein abgeschlossenes System gilt stets die Energieerhaltung und die Impulserhaltung. Auch für die elektrische, die starke Ladung und meistens auch für die schwache Ladung gelten Erhaltungssätze. Bei jeder Umwandlung von Teilchen oder jedem Wechselwirkungsprozess müssen die elektrische, die starke Ladung und meistens auch die schwache Ladung erhalten bleiben. Zusätzlich gelten natürlich auch in der Teilchenphysik immer Energieerhaltung und Impulserhaltung.

Verständnisaufgabe

Ladungserhaltung bei Teilchenumwandlungen

Nur wenn bei einer Teilchenumwandlung alle Ladungen erhalten sind, kann der Prozess in der Natur wirklich stattfinden. Es gibt wenige Ausnahmen, die alle mit dem Higgs-Teilchen oder dem Higgs-Feld zu tun haben, bei denen die Schwache Ladung nicht erhalten bleibt. Diese werden wir im Folgenden nicht behandeln.

Überprüfe, ob bei den folgenden Teilchenumwandlungen 1. die elektrische Ladung 2. die schwache Ladung 3. die starke Ladung erhalten ist.

Informationen zu den Ladungen findest du hier.

a)  \({\rm{p}}\; \to \;{\rm{n}} + {{\rm{e}}^ - }\)

Lösung

1. elektrische Ladung: nein, linke Seite \(+1\), rechte Seite \(-1\)

2. schwache Ladung: nein, linke Seite \(+\frac{1}{2}\), rechte Seite \(-1\)

3. starke Ladung: ja, linke Seite "weiß", rechte Seite "weiß".

Der Prozess ist also nicht möglich. Ein weiteres Problem stellt die Energieerhaltung da: Das Neutron hat mehr Ruheenergie als das Proton, daher kann sich ein Proton nur bei ausreichender kinetischer Energie in ein Neutron und weitere Teilchen umwandeln.

b)  \({\rm{n}}\; \to \;{\rm{p}} + {{\rm{e}}^ - }\)

Lösung

1. elektrische Ladung: ja, linke Seite \(0\), rechte Seite \(0\)

2. schwache Ladung: nein, linke Seite \(-\frac{1}{2}\), rechte Seite \(0\)

3. starke Ladung: ja, linke Seite "weiß", rechte Seite "weiß".

Der Prozess ist also nicht möglich. Diese Umwandlung kennst du im Prinzip als Betazerfall des Neutrons, es fehlt allerdings auf der rechten Seite das Anti-Elektronen-Neutrino mit der schwachen Ladung \(-\frac{1}{2}\).

Wenn man einen Apfel auf einen Tisch legen möchte, so ist dafür Energie notwendig. Auf dem Tisch liegend besitzt der Apfel dann potentielle Energie. Nur wenn sich die physikalischen Gesetze von einem auf den anderen Tag ändern würden (und sich zum Beispiel die Gravitationskonstante ändert), würde sich auch die potentielle Energie des Apfels ändern. In diesem Fall könnte man z.B. warten, bis sich die potentielle Energie des Apfels erhöht hat, dann hätte man praktisch aus dem Nichts Energie erzeugt. Da aber die physikalischen Gesetze unter Veränderungen in der Zeit symmetrisch sind, gilt der Energieerhaltungssatz, d.h. die Erzeugung von Energie aus dem Nichts ist nicht möglich.

Emmy NOETHER
von Unbekannt [Public domain],
via Wikimedia Commons

Auch aus anderen Symmetrien, wie zum Beispiel der Symmetrie unter Änderungen des Ortes, lassen sich zugehörige Erhaltungssätze ableiten, allerdings ist dieses Ableiten nicht so anschaulich möglich. Den mathematischen Zusammenhang zwischen Symmetrien und Erhaltungssätzen beschreibt das Noether-Theorem, das die deutsche Mathematikerin Emmy NOETHER 1918 formulierte. Es lautet: Zu jeder kontinuierlichen Symmetrie eines physikalischen Systems gehört eine Erhaltungsgröße. Hier findest du einen Science Slam-Vortrag zum Noether-Theorem und darüber, wie Emmy NOETHER Jahrzehnte vor dem Standardmodell so die mathematische Grundlage unseres heutigen modernen Weltbildes gelegt hat.

Die mathematische Struktur des Standardmodells der Teilchenphysik beruht auf drei abstrakten, kontinuierlichen Symmetrien, den oben erwähnten Eichsymmetrien der Ladungen. Daher müssen nach Emmy NOETHER diese Ladungen in jedem Prozess erhalten sein. Dies sind die Spielregeln, nach denen Teilchenumwandlungen und Wechselwirkungen in der Welt ablaufen. Das Standardmodell der Teilchenphysik ist also eine Theorie der Spielregeln von Ladungen und  Wechselwirkungen, die aus Symmetrien hergeleitet werden. Experimentell hat man außerdem festgestellt, welche Elementarteilchen als Spieler vorhanden sind und kann diese Teilchen nach ihren Ladungen ordnen. Es lässt sich aber noch nicht theoretisch vorhersagen, warum es genau diese Teilchen gibt.

Eine sehr gute Einführung zu diesen Fragen Was ist eine Symmetrie? Welche Symmetrien kennen wir? Was können wir aus Symmetrien ableiten? bietet die DESY Kwork-Quark Seite.

Abbildung 2: George ZWEIG (*1937); von 和平奮鬥救地球 (Eigenes Werk) [CC BY-SA 4.0], via Wikimedia Commons

Abbildung 1: Murray GELL-MANN (*1929); von Joi [GFDL, CC-BY-SA-3.0 oder CC-BY-2.5], via Wikimedia Commons

Nachdem man im letzten Jahrhundert viele neue Teilchen in der kosmischen Höhenstrahlung und an Teilchenbeschleunigern entdeckt hatte, zweifelte man am Prinzip der Vereinfachung in der Teilchenphysik und versuchte Ordnung in den "Teilchenzoo" zu bringen. Ausschlaggebend für die Rückkehr zur Einfachheit waren die Arbeiten der amerikanischen Physiker Murray GELL-MANN (*1929) und George ZWEIG (*1937): Im Jahre 1964 entwickelte GELL-MANN am California Institute of Technology und unabhängig von ihm ZWEIG am CERN aufgrund rein mathematischer Ordnungsprinzipien eine Hypothese für den inneren Aufbau der gefundenen Teilchen.

In dieser Hypothese wird angenommen, dass zum Beispiel die Kernbausteine, also Protonen und Neutronen keine Elementarteilchen sind, sondern aus weiteren noch kleineren Teilchen aufgebaut sind, die GELL-MANN nach einem Kunstwort in einem Roman des irischen Schriftstellers James Joyce als "Quarks" bezeichnete. Diese Wortbildung soll klar machen, dass solch merkwürdige Namen nicht auf ihren Sinngehalt zu untersuchen sind, sondern einfach als Kürzel für einen physikalischen Sachverhalt stehen. Die Quarks sind nach dem aktuellen Stand der Forschung elementare Teilchen, d.h. sie besitzen keine Substruktur und lassen sich daher nicht teilen. Wir kennen heute 6 Quarks: Up-Quark (\({\rm{u}}\)), Down-Quark (\({\rm{d}}\)), Charm-Quark (\({\rm{c}}\)), Strange-Quark (\({\rm{s}}\)), Bottom-Quark (\({\rm{b}}\)), Top-Quark (\({\rm{t}}\)) sowie deren jeweilige Anti-Teilchen, die Anti-Quarks, die mit einem Querbalken gekennzeichnet werden: Anti-Up-Quark (\({{\rm{\bar u}}}\)), Anti-Down-Quark (\({{\rm{\bar d}}}\)) und analog \({{\rm{\bar c}}}\), \({{\rm{\bar s}}}\), \({{\rm{\bar b}}}\) und \({{\rm{\bar t}}}\).

Der Überbegriff für alle Teilchen, die aus Quarks und/oder Anti-Quarks aufgebaut sind, lautet Hadronen (altgr. αδρός hadrós = dick, stark), denn alle Hadronen werden von der starken Wechselwirkung beeinflusst.

Das Elektron \(e\) ist ebenfalls ein Elementarteilchen. Man zählt es zur Gruppe der Leptonen (altgr. λεπτός leptós = klein, leicht), alle Leptonen besitzen keine starke Ladung und werden daher nicht von der starken Wechselwirkung beeinflusst. Zu der Gruppe der Leptonen zählt man weiterhin die zwei massereicheren „Brüder“ des Elektrons, das Myon \(\mu\) und das Tauon \(\tau\) sowie eine letzte weitere Gruppe von elementaren Materieteilchen, die Neutrinos: Elektron-Neutrino \(\nu_e\), Myon-Neutrino \(\nu_\mu\) und Tau-Neutrino \(\nu_\tau\). Neutrinos haben eine extrem geringe Masse - mehr als hunderttausendfach geringer als die Masse des Elektrons. Sie werden nur von der schwachen Wechselwirkung beeinflusst.

Wie bei den Quarks gibt es zu jedem Lepton wieder das entsprechende Anti-Teilchen, die ebenfalls mit einem Querbalken gekeinnzeichnet werden: Positron \({{\rm{\bar e}}}\), Anti-Myon \({{\rm{\bar \mu }}}\), Anti-Tauon \({{\rm{\bar \tau }}}\), Anti-Elektron-Neutrino \({{{\rm{\bar \nu }}}_{\rm{e}}}\), Anti-Myon-Neutrino \({{{\rm{\bar \nu }}}_{\rm{\mu }}}\) und Anti-Tau-Neutrino \({{{\rm{\bar \nu }}}_{\rm{\tau }}}\). Als alternative Schreibweise findet man oft: Elektron \({{\rm{e}}^ - }\), Positron \({{\rm{e}}^ + }\), Myon \({{\rm{\mu }}^ - }\), Anti-Myon \({{\rm{\mu }}^ + }\), Tauon \({{\rm{\tau }}^ - }\) und Anti-Tauon \({{\rm{\tau }}^ + }\).

Insgesamt kennen wir also 12 Quarks (inklusive Anti-Quarks) und 12 Leptonen (inklusive Anti-Teilchen) als elementare Bausteine der Materie.

Mit dem "Standardmodell der Elementarteilchenphysik" bezeichnet man eine physikalische Theorie, welche die Wechselwirkungen (starke, schwache und elektromagnetische) zwischen den bekannten Elementarteilchen beschreibt.

Hinweise: CERN bietet einen gut verständlichen Kurzfilm zum Standardmodell an (Download)

Die Elementarteilchen der Materie

Abbildung 3: Übersicht über die 3 Generationen der Elementarteilchen der Materie

Die 12 Elementarteilchen der Materie lassen sich zunächst in drei Generation (oder auch: Familien, in Abb. 3 die drei Spalten) einteilen. Die drei Generationen beinhalten jeweils sehr ähnliche Teilchen, lediglich die Masse der Teilchen ändert sich zwischen den Generationen erheblich.

Am geläufigsten sind die Mitglieder der 1. Generation in der 1. Spalte, denn sie sind die Grundbausteine der Materie, mit der man gewöhnlich in Berührung kommt: Für den Aufbau der Nukleonen und somit des Atomkerns dienen die Quarks \({\rm{u}}\) und \({\rm{d}}\). Von den Leptonen gehört zur 1. Generation das Elektron \({\rm{e}}\), das die Hülle eines Atoms aufbaut, sowie das nahezu masselose Elektron-Neutrino \({{\rm{\nu }}_{\rm{e}}}\), das von den ß-Zerfällen her bekannt ist und auch in großer Zahl von der Sonne zur Erde gelangt.

Die Mitglieder der 2. und 3. Generation in der 2. und 3. Spalte treten nur unter extremen Bedingungen auf, wie sie z.B. in Teilchenbeschleunigern oder in den oberen Schichten unserer Atmosphäre herrschen, wo die kosmische Strahlung auf Teilchen in unserer Atmosphäre trifft. Die Mitglieder der 3. Generation besitzen im Vergleich zu ihren Verwandten eine sehr große Masse und können daher nur in Teilchenbeschleunigern nachgewiesen werden, denn man benötigt sehr hohe Energien um diese Teilchen zu erzeugen.

Man kann die 12 Teilchen aber auch nach ihrer Ladung in verschiedene Gruppen einteilen (in in Abb. 3 die drei Zeilen), wodurch ein erstaunlich übersichtliches Schema entsteht. Je tiefer die Teilchen in der Tabelle stehen, desto mehr unterschiedliche Ladungen besitzen sie:

Die elektrisch neutralen Leptonen in der 1. Zeile tragen lediglich eine schwache Ladung. Somit werden sie "nur" von der schwachen Wechselwirkung beeinflusst und tauschen "nur" die Botenteilchen \({{\rm{W}}^ + }\), \({{\rm{W}}^ - }\) und \({{\rm{Z}}}\) aus.

Die elektrisch geladenen Leptonen in der 2. Zeile tragen zusätzlich eine elektrische Ladung. Somit werden sie auch von der elektromagnetischen Wechselwirkung beeinflusst und tauschen neben \({{\rm{W}}^ + }\), \({{\rm{W}}^ - }\) und \({{\rm{Z}}}\) auch Photonen als Botenteilchen aus.

Die Quarks in der 3. Zeile schließlich tragen auch noch eine starke Ladung.  Sie werden also zusätzlich von der starken Wechselwirkung beeinflusst und tauschen somit außer \({{\rm{W}}^ + }\), \({{\rm{W}}^ - }\), \({{\rm{Z}}}\) und Photonen auch Gluonen als Botenteilchen aus.

Die folgende Abbildung zeigt noch einmal die für uns wichtigsten Elementarteilchen der Materie der 1. Generation.

Abbildung 4: Übersicht über die Elementarteilchen der Materie der 1. Generation

Die Elementarteilchen der Anti-Materie

Ein entsprechendes Bild ergibt sich für die jeweiligen Anti-Teilchen, hier sind lediglich alle Ladungen umgekehrt, statt einer elektrischen Ladung von \( + \frac{2}{3}\) trägt das Anti-Up-Quark zum Beispiel eine elektrische Ladung von \( - \frac{2}{3}\). Aus Symmetriegründen erfolgt die Einteilung nach Ladungen in den verschiedenen Zeilen nun aber umgekehrter Reihenfolge.

Abbildung 5: Übersicht über die 3 Generationen der Elementarteilchen der Antimaterie

Die folgende Abbildung zeigt schließlich noch einmal die Elementarteilchen der Anti-Materie der 1. Generation.

Abbildung 6: Übersicht über die Elementarteilchen der Antimaterie der 1. Generation

Weitere mögliche Einteilungen der Elementarteilchen

Die Elementarteilchen lassen sich auch noch nach ihren jeweiligen starken, schwachen oder elektrischen Ladungen einteilen. Entsprechende Einteilungen findest du unter Starke Ladung (Farbladung), Schwache Ladung und Elektrische Ladung.

Ergänzendes Material zum Thema bei Welt der Physik

Zu jedem Materieteilchen gibt es ein Teilchen, das exakt dieselbe Masse besitzt aber jeweils genau die entgegengesetzte elektrische, starke und schwache Ladung trägt. Dieses Teilchen nennt man das zugehörige Anti-Teilchen. Würde man die gesamte Materie im Universum durch Anti-Materie tauschen, würde sich für uns allerdings nichts ändern: Die Physik unterscheidet prinzipiell nicht zwischen Teilchen und Anti-Teilchen, die Existenz von Anti-Teilchen ist etwas ganz Natürliches.

Hinweise

Zur Kennzeichnung des Anti-Teilchen verwendet man häufig einen Querstrich über dem Teilchensymbol. Beispiel: Proton \(p\); Anti-Proton \(\bar{p}\).

Ein Anti-Teilchen kann nie isoliert erzeugt werden. Es entsteht stets ein Teilchen-Anti-Teilchen-Paar.

Teilchen wie z.B. das Photon oder das neutrale Pion π0 sind ihre eigenen Anti-Teilchen.

Bemerkung: Der theoretische Physiker Paul DIRAC postulierte 1928 als erstes Anti-Teilchen das sogenannte Positron \(\rm{e}^+\). Das Positron ist das Anti-Teilchen zum Elektron und besitzt die gleiche Masse, den gleichen Spin, aber eine positive Elementarladung. Das Positron kennst du als Bestandteil der \(\rm{\beta}^+\)-Strahlung. Erst vier Jahre später konnte Carl ANDERSON das Positron experimentell in der Höhenstrahlung nachweisen. Es kommt in der Physik nicht selten vor, dass die Theoretiker Teilchen vorhersagen, die erst geraume Zeit später experimentell gefunden werden. Auch das Neutron wurde schon nach RUTHERFORDs Entdeckung des Atomkerns (um 1920) postuliert, aber erst 1932 durch CHADWICK experimentell nachgewiesen. Auch die Quarks - 1964 durch GELL-MANN theoretisch eingeführt - konnten indirekt am großen Linearbeschleuniger von Stanford (USA) 1969 nachgewiesen werden.

1955 gelang es Physikern in Berkeley erstmals, Anti-Protonen herzustellen, also Teilchensysteme aus drei Anti-Quarks. Inzwischen kann man sogar ganze Anti-Atome herstellen; am CERN forscht man unter anderem mit Anti-Wasserstoffatomen, bei denen der Kern aus einem Anti-Proton mit drei Anti-Quarks und die Hülle aus einem Positron gebildet wird. Eine Musteraufgabe zu einem dieser Experimente, dem AEGIS-Experiment, findest du hier.

Paarvernichtung (Annihilation)

Wenn ein Anti-Teilchen seinem entsprechenden Materieteilchen begegnet, „annihilieren“ sie sich gegenseitig – das bedeutet, die vorhandene Energie wandelt sich in Botenteilchen um. Dieser Prozess wird Paarvernichtung (oder auch Annihilation) genannt. In der Positronen-Emissionstomografie (kurz: PET) nutzt man den Prozess der Elektron-Positron-Annihilation, um zum Beispiel Tumore sichtbar zu machen.

Eine Musteraufgabe zur Paarvernichtung findest du hier.

HTML5-Canvas nicht unterstützt!
1 Paarvernichtung eines Elektron-Positron-Paares zu zwei hochenergetischen Photonen

Paarerzeugung

Die obenstehende Animation zeigt (stark vereinfacht) die Paarerzeugung. Aus Gründen des Energie- und Impulserhaltungssatzes muss die Paarerzeugung z.B. im COULOMB-Feld eines Atomkerns stattfinden.

Eine Musteraufgabe zur Paarerzeugung findest du hier.

HTML5-Canvas nicht unterstützt!
2 Paarerzeugung eines Elektron-Positron-Paares aus einem hochenergetischen Photon im COULOMB-Feld eines Atomkerns
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