Kern-/Teilchenphysik

Teilchenphysik

Botenteilchen

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

Botenteilchen

Wie genau erklärt man die Wechselwirkung zwischen Ball und Hand, die verhindert, dass der Ball beim Fangen durch uns hindurchfällt? Historisch gesehen gibt es verschiedene Konzepte, Wechselwirkungen zu erklären:

Zu COULOMBs Zeiten (18. Jahrhundert) erklärte man die Wechselwirkungen zwischen elektrisch geladenen Körpern wie folgt: Gleichnamig geladene Körper stoßen sich ab, ungleichnamig geladene Körper ziehen sich an. Zwischen den Körper befindet sich nichts, was die Wechselwirkung vermittelt, die Körper wirken "aus der Ferne" aufeinander (Fernwirkungstheorie).

Mit FARADAY (19. Jahrhundert) kam der Feldbegriff auf, der in vieler Hinsicht leistungsfähiger war als die Fernwirkungstheorie. Als Ursache für die Kraft auf einen elektrisch geladenen Körper wurde das elektrische Feld gesehen, das am Ort des geladenen Körpers herrscht (Nahwirkungstheorie).Seit dem 20. Jahrhunderts erklärt man die elektromagnetische, die schwache und die starke Wechselwirkung durch besondere "quantisierte" Felder und den Austausch von Teilchen, den sogenannten Botenteilchen, häufig auch Austauschteilchen genannt. Teilchenphysiker sprechen auch von Feldquanten, die gesamte Theorie bezeichnet man deshalb auch als Quantenfeldtheorie. Nach dieser Theorie tauschen die elektrisch negativ geladenen Atomhüllen des Balls und die elektrisch negativ geladenen Atomhüllen der Hand permanent Teilchen aus. Daher stoßen sich Ball und Hand ab. Es fällt schwer, sich vorzustellen, wie sowohl anziehende als auch abstoßende Kräfte durch den Austausch von Teilchen vermittelt werden. Noch schwieriger fällt die Vorstellung, wie sich Teilchen durch den Austausch von Teilchen in andere Teilchen umwandeln können. Den unten gezeigten Versuch einer mechanischen Veranschaulichung der Wechselwirkungen kann man auf der Kwork-Quark-Seite von DESY finden. Bei allen Modellen und Abbildungen zu Botenteilchen muss man sich allerdings immer der Grenzen der Modelle bewusst sein.

 

Beschreibung von Kräften durch den Austausch von Wechselwirkungsteilchen

Das Video zeigt eine mechanische Veranschaulichung der Vermittlung von abstoßender und anziehender Kraft zwischen Elementarteilchen durch Emission und Absorption eines Botenteilchens. Quelle: DESY/Dr. Dirk Rathje, Hamburg;  Marc Hermann, Berlin (http://kworkquark.desy.de/1/index.html)

Austausch von Wechselwirkungsteilchen

Das Video zeigt eine mechanische Veranschaulichung der Umwandlung von Elementarteilchen durch Emission und Absorption eines Botenteilchens, wobei gleichzeitig eine abstoßender Kraft zwischen den Teilchen vermittelt wird . Quelle: DESY/Dr. Dirk Rathje, Hamburg;  Marc Hermann, Berlin (http://kworkquark.desy.de/1/index.html)

In bedeutsamen Experimenten der Teilchenphysik konnte man die Botenteilchen der elektromagnetischen, schwachen und starken Wechselwirkung nachweisen. Die Gravitation als vierte Wechselwirkung wird bisher mit einer ganz anderen Theorie, der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert EINSTEIN, beschrieben und spielt in den Dimensionen der Teilchenphysik keine Rolle.

Gluonen - die Botenteilchen der starken Wechselwirkung

Die starke Wechselwirkung wird durch acht verschiedene Botenteilchen vermittelt, die sogenannten Gluonen (engl. glue = kleben).

Die Botenteilchen der starken Wechselwirkung sind die Gluonen (engl. glue = kleben). Gluonen wurden erstmals 1979 am PETRA-Beschleuniger bei DESY in Hamburg beobachtet. Es gibt insgesamt 8 verschiedene Gluonen, die jeweils verschiedenen Kombinationen aus starken Ladungen ("Farbladungen") tragen. Sechs Gluonen haben jeweils gleichzeitig zwei, ein Gluon vier und ein Gluon sechs Farbladungen.

Die Gluonen besitzen keine Masse (\({m_{{{\rm{g}}_i}}} = 0\;;\;i \in \left\{ {1;\;...\;;8} \right\}\)), sie sind elektrisch neutral (\({Z_{{{\rm{g}}_i}}} = 0\;;\;i \in \left\{ {1;\;...\;;8} \right\}\)) und besitzen keine schwache Ladung (\({I_{{{\rm{g}}_i}}} = 0\;;\;i \in \left\{ {1;\;...\;;8} \right\}\)). Sie besitzen jedoch Farbladungsvektoren, in denen sie sich unterscheiden. Die acht Farbladungsvektoren der Gluonen sind Summen von Farbladungsvektoren der Quarks und Anti-Quarks. Sechs der insgesamt acht Gluonen besitzen je eine Farbe und eine Anti-Farbe; die starken Ladungen der verbleibenden zwei Gluonen sind auf kompliziertere Weise aus Farbladungsvektoren zusammengesetzt.

Dass Gluonen selbst eine starke Ladung besitzen, ist der tiefliegende Grund dafür, dass die starke Wechselwirkung nur eine begrenzte Reichweite von \(1-2\rm{fm}\) besitzt: Die Gluonen treten miteinander in Wechselwirkung und ziehen sich gegenseitig an.

Da die Gluonen ausschließlich starke Farbladungen und keine weiteren Ladungen besitzen, kann aufgrund der starken Wechselwirkung die elektrische und die schwache Ladung eines Teilchens nicht geändert werden. Bei der starken Wechselwirkung kann ausschließlich die Farbladung eines Quarks oder Anti-Quarks geändert werden.

W- und Z-Bosonen - die Botenteilchen der schwachen Wechselwirkung

Die schwache Wechselwirkung wird durch drei verschiedene, massebehaftete Botenteilchen vermittelt, das \({{\rm{W}}^ + }\), das \({{\rm{W}}^ - }\) und das \({{\rm{Z}}}\)-Teilchen. Im Jahr 1983 gelang es zwei verschiedenen Experimenten am CERN erstmals, diese drei Botenteilchen nachzuweisen und ihre Massen genau zu bestimmen. Carlo RUBBIA und Simon VAN DER MEER erhielten für diesen Nachweis 1984 den Nobelpreis für Physik.

Die Botenteilchen der schwachen Wechselwirkung sind das \({{\rm{W}}^ + }\), das \({{\rm{W}}^ - }\) und das \({{\rm{Z}}}\)-Teilchen (oft auch Bosonen genannt).

Die nachgewiesenen \({{\rm{W}}^ + }\), \({{\rm{W}}^ - }\) und \({{\rm{Z}}}\)-Teilchen besitzen die Massen \({m_{{{\rm{W}}^ + }}} = 80,4\frac{{{\rm{GeV}}}}{{{{\rm{c}}^{\rm{2}}}}}\), \({m_{{{\rm{W}}^ - }}} = 80,4\frac{{{\rm{GeV}}}}{{{{\rm{c}}^{\rm{2}}}}}\) und \(m_{\rm{Z}} = 91,2\frac{{{\rm{GeV}}}}{{{{\rm{c}}^{\rm{2}}}}}\).

Die Reichweite der \(\rm{W}\)-Teilchen mit einer Masse von \(80,4\frac{{{\rm{GeV}}}}{{{{\rm{c}}^{\rm{2}}}}}\) beträgt demnach\[{\lambda _{\rm{W}}} = \frac{{\hbar \cdot c}}{{{m_{\rm{W}}} \cdot {{\rm{c}}^{\rm{2}}}}} = \frac{{0,197{\rm{GeV}} \cdot {\rm{fm}}}}{{80,4{\rm{GeV}}}} \approx 0,002{\rm{fm}}\]also ca. \(\frac{1}{{400}}\) des Protonradius, der ca. \(0,8\rm{fm}\) beträgt. Die \(\rm{Z}\)-Teilchen mit einer Masse von \(91,2\frac{{{\rm{GeV}}}}{{{{\rm{c}}^{\rm{2}}}}}\) besitzen mit\[{\lambda _{\rm{Z}}} = \frac{{\hbar \cdot c}}{{{m_{\rm{W}}} \cdot {{\rm{c}}^{\rm{2}}}}} = \frac{{0,197{\rm{GeV}} \cdot {\rm{fm}}}}{{91,2{\rm{GeV}}}} \approx 0,002{\rm{fm}}\]annähernd die gleiche Reichweite.

Ein besonderes Merkmal der schwachen Wechselwirkung ist offenbar, dass es drei verschiedene Botenteilchen gibt. Im Gegensatz dazu existiert zur elektromagnetischen Wechselwirkung nur ein einziges Botenteilchen, das Photon. Ein weiteres Charakteristikum der schwachen Wechselwirkung ist, dass die \({{\rm{W}}^ + }\) und \({{\rm{W}}^ - }\)-Botenteilchen, im Gegensatz zum Photon, sowohl elektrisch als auch schwach geladen sind: Das \({{\rm{W}}^ + }\) ist einfach elektrisch positiv geladen (\(Z_{{\rm{W}}^ + } = + 1\)), das \({{\rm{W}}^ - }\) ist einfach elektrisch negativ geladen (\(Z_{{\rm{W}}^ - } = - 1\)). Das \(\rm{Z}\) ist elektrisch neutral.

Darüber hinaus besitzen das \({{\rm{W}}^ + }\), \(\rm{Z}\) und \({{\rm{W}}^ - }\)-Teilchen die schwachen Ladungszahlen von \({I_{{{\rm{W}}^ + }}} = + 1\),\({I_{{{\rm{Z}}}}} = 0\) und \({I_{{{\rm{W}}^ - }}} = - 1\).

Da das \({{\rm{W}}^ + }\) und \({{\rm{W}}^ - }\) entgegengesetzte elektrische und schwache Ladungszahlen sowie eine identische Masse besitzen, ist das \({{\rm{W}}^ - }\) das Anti-Teilchen des \({{\rm{W}}^ + }\), und umgekehrt.

Das Photon - das Botenteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung

Das Botenteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung ist das Photon.

Das Photon ist ebenfalls ein Elementarteilchen und ist daher durch seine (Ruhe-)Masse (\({m_\gamma } = 0\)) und seine Ladungen eindeutig charakterisiert: Es besitzt weder eine elektrische, noch eine schwache oder starke Ladung, d. h. \({Z_\gamma } = 0\), \({I_\gamma } = 0\) und \({\vec C_\gamma } = \vec 0\). Da es keinerlei Ladung besitzt, unterliegt es selbst keiner der fundamentalen Wechselwirkungen des Standardmodells.

Die elektromagnetische Wechselwirkung hat eine unendlich große Reichweite, auch wenn die Kraft zwischen zwei elektrisch geladenen Teilchen quadratisch mit dem Abstand abnimmt.

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