Kern-/Teilchenphysik

Teilchenphysik

Wechselwirkungen

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

Wechselwirkungen

Warum bewegen sich die Planeten um die Sonne und fliegen nicht einfach davon? Warum bilden sich Atome aus Atomkernen und Elektronen? Warum können mehrere Protonen mit Neutronen Atomkerne bilden, obwohl die Protonen sich aufgrund der gleichen elektrischen Ladungen gegenseitig abstoßen? Wie bilden Quarks Protonen und Neutronen? Einzig verantwortlich für all diese Phänomene sind die vier fundamentalen Wechselwirkungen der Natur: Die gravitative Wechselwirkung, die elektromagnetische Wechselwirkung, die starke Wechselwirkung und die schwache Wechselwirkung. Mithilfe des Basiskonzepts der fundamentalen Wechselwirkungen können dabei nicht nur Kräfte zwischen Teilchen, sondern auch Entstehung, Umwandlung und Vernichtung von Teilchen beschrieben werden. Alle bekannten Vorgänge in der Natur lassen sich auf diese vier Wechselwirkungen zurückführen, die in den folgenden Abschnitten genauer vorgestellt werden.

Die Fernwirkungen der Gravitationskraft sowie der magnetischen und elektrischen Kraft werden in der klassischen Physik durch Felder beschrieben. Mit der Entwicklung der Quantenphysik in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurde entdeckt, dass die Feldenergie des elektrischen Feldes nicht kontinuierlich ist, sondern in kleinsten Portionen, den sogenannten Feldquanten (Photonen), auftritt. Verschiedene Beobachtungen bei atomaren Prozessen wie z.B. die LAMB-Verschiebung ("LAMB-Shift") lassen sich überhaupt nicht mehr mit dem klassischen Feldbegriff, sondern nur noch mit der Existenz von Feldquanten hinreichen genau erklären.

Dieses Konzept der Feldquanten wurde im Standardmodell der Teilchenphysik mit dem Begriff der Botenteilchen aufgegriffen. Das Standardmodell beschreibt die Vermittlung von starker, schwacher und elektromagnetischer Wechselwirkung nicht durch Felder, sondern durch die Emission und Absorption von Botenteilchen zwischen den beteiligten Teilchen oder Teilchensystemen. Lediglich der gravitativen Wechselwirkung liegt ein anderes physikalisches Prinzip zugrunde: hier wird die Wechselwirkung zwischen Massen durch die Bewegung und Krümmung der Raum-Zeit durch diese Massen vermittelt.

Starke Wechselwirkung

Der starken Wechselwirkung unterliegen nur Teilchen, die eine starke Ladung ("Farbladung") (genauer: von \(\vec 0\) verschiedene Farbladungsvektoren) besitzen (vgl. Ladungen).

Die Vermittlung der starken Wechselwirkung zwischen Teilchen mit einer Farbladung geschieht durch den Austausch der Botenteilchen der starken Wechselwirkung, den 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 Farbladungen tragen. Sechs Gluonen haben jeweils gleichzeitig zwei, ein Gluon vier und ein Gluon sechs Farbladungen.

Die starke Wechselwirkung ist u.a. für die Bindung der Quarks in Protonen und Neutronen, die Kraft zwischen Protonen und Neutronen im Atomkern (Kernkraft) und den radioativen α-Zerfall verantwortlich.

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1 Beispiel für die Vermittlung der starken Wechselwirkung: ein rotes Up-Quark wechselt unter Emission eines rot/anti-grünen Gluons seine Farbe in grün, das grüne Up-Quark wechselt bei der Absorption des Gluons seine Farbe in rot

Die Vermittlung der starken Wechselwirkung zwischen Teilchen mit starker Ladung durch Emission und Absorption von Gluonen ist in der Animation in Abb. 1 am Beispiel der Wechselwirkung zwischen zwei Quarks dargestellt:

Das rote Up-Quark emittiert ein Gluon mit den Farben rot und anti-grün und wird zum grünen Up-Quark. Bei der Absorption dieses Gluons wird das grüne Up-Quark zum roten Up-Quark. Insgesamt kommt es also zu einem Farbwechsel der beiden Up-Quarks. Beachte, dass während des Prozesses die gesamte Farbladung konstant bleibt.

Schwache Wechselwirkung

Der schwachen Wechselwirkung unterliegen nur Teilchen, die eine schwache Ladung (genauer: von \(0\) verschiedene schwache Ladung) besitzen (vgl. Ladungen).

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

Die schwache Wechselwirkung ist u.a. für die radioative β-Umwandlung ("β-Zerfall"), die Umwandlung von Protonen in Neutronen bei der Kernfusion und die Instabilität von Neutronen und Myonen verantwortlich.

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2 Beispiel für die Vermittlung der schwachen Wechselwirkung: ein (blaues) Down-Quark wandelt sich unter Emission eines \(\rm{W^-}\) in ein (blaues) Up-Quark um, das \(\rm{W^-}\) zerfällt danach in ein Elektron und ein Anti-Elektron-Neutrino

Die Vermittlung der schwachen Wechselwirkung zwischen Teilchen mit schwacher Ladung durch Emission und Absorption von \(\rm{W^+}\)-, \(\rm{W^-}\)- oder \(\rm{Z}\)-Teilchen ist in der Animation in Abb. 2 am Beispiel der Umwandlung eines Down-Quarks in ein Up-Quark dargestellt:

Ein (blaues) Down-Quark wandelt sich unter Emission eines \(\rm{W^-}\) in ein (blaues) Up-Quark um, das \(\rm{W^-}\) zerfällt danach in ein Elektron und ein Anti-Elektron-Neutrino.

Elektromagnetische Wechselwirkung

Der elektromagnetischen Wechselwirkung unterliegen nur Teilchen, die eine elektrische Ladung (genauer: von \(0\) verschiedene elektrische Ladung) besitzen (vgl. Ladungen).

Das Botenteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung ist das Photon.

Die elektromagnetische Wechselwirkung ist u.a. für den Zusammenhalt von Protonen und Elektronen (Atome), die Bindung von Atomen zu Molekülen, alle chemischen Prozesse, die bekannten elektrischen, magnetischen und optischen Phänomene, aber auch  Reibungs- und Adhäsionskräfte verantwortlich.

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3 Beispiel für die Vermittlung der elektromagnetischen Wechselwirkung: ein Elektron emittiert ein Photon, das vom anderen Elektron absorbiert wird

Die Vermittlung der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen Teilchen mit elektrischer Ladung durch Emission und Absorption von Photonen ist in der Animation in Abb. 3 am Beispiel der Streuung zweier Elektronen dargestellt:

Ein Elektron emittiert ein Photon, das vom anderen Elektron absorbiert wird.

Gravitative Wechselwirkung

Der gravitativen Wechselwirkung (Gravitation) unterliegen alle Teilchen, die eine Masse besitzen.

Die Vermittlung der gravitativen Wechselwirkung zwischen Teilchen mit Masse geschieht im Standardmodell nicht durch den Austausch von Botenteilchen, sondern durch die Bewegung und Krümmung der Raum-Zeit durch Massen.

Die gravitative Wechselwirkung ist u.a. für den Zusammenhalt von Galaxien, Sonnensystemen, Planeten und Trabanten und der Himmelskörper selbst, aber auch die Schwerkraft, den Luftdruck und den Auftrieb verantwortlich.

Die Gravitationskraft zwischen zwei massebehafteten Teilchen, die sich in einem Abstand \(r\) zueinander befinden, ist proportional zum Produkt der Teilchenmassen und umgekehrt proportional zum Quadrat ihres Abstandes. Somit besitzt die gravitative Wechselwirkung eine unendliche Reichweite und lässt sich, genau wie die elektromagnetische Wechselwirkung, mit dem klassischen Feldlinienmodell beschreiben.

Man könnte nun auf die Idee kommen, die gravitative Wechselwirkung auf der Ebene der Elementarteilchen, analog zur elektromagnetischen Wechselwirkung, ebenfalls durch den Austausch eines masselosen Botenteilchens, des sogenannten Gravitons, zu beschreiben. Die genaue Ausarbeitung dieser Beschreibung ist jedoch bis heute nicht gelungen, da der gravitativen Wechselwirkung ein anderes physikalisches Prinzip zugrunde liegt als beispielsweise der elektromagnetischen Wechselwirkung:

Die elektromagnetischen Wechselwirkung wird durch sich in der Raum-Zeit bewegende Botenteilchen vermittelt, während sich bei der gravitativen Wechselwirkung die Raum-Zeit selbst bewegt und krümmt. Nach dem hypothetischen Graviton wird intensiv gesucht, es wurde bis heute aber nicht entdeckt.

Außerdem kennt man keine zur gravitativen Wechselwirkung gehörende Ladung. Die Masse kann nicht die zur gravitativen Wechselwirkung gehörende Ladung sein, da sie keine Erhaltungsgröße ist, was eine Anforderung an eine Ladung im Sinne des Standardmodells darstellt.

Darüber hinaus gibt es keine negativen Massen, weshalb die gravitative Wechselwirkung im Gegensatz zu den drei fundamentalen Wechselwirkungen des Standardmodells lediglich anziehende und keine abstoßenden Kräfte hervorrufen kann. Anti-Teilchen besitzen also dieselbe positive Masse wie die zugehörigen Teilchen. Wäre die Masse eine Ladung im Sinne des Standardmodells, so müsste sie zwischen Teilchen und Anti-Teilchen ihr Vorzeichen wechseln.

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