Elementarteilchen sind die kleinsten bekannten Bausteine der Materie. Die meisten Autoren – deren Konvention in diesem Artikel gefolgt wird – bezeichnen ausschließlich die Teilchen des Standardmodells der Teilchenphysik – also sechs Quarks, sechs Leptonen, die Eichbosonen (Austauschteilchen) und das Higgs-Boson – als Elementarteilchen. Show
Andere Autoren bezeichnen diese als Fundamentalteilchen und nennen auch die aus Quarks zusammengesetzten Hadronen elementar, da sie ebenfalls nicht zerteilt werden können (siehe Confinement). Elementarteilchen des Standardmodells ohne das Higgs-Boson GeschichteNachdem die Atomtheorie des Demokrit durch die Entwicklung der Chemie im 18. Jahrhundert bestätigt wurde, galten die Atome als „elementare“ Teilchen. Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckte man, dass Atome aus einem Atomkern (bestehend aus Nukleonen, also Protonen und Neutronen) und einer Hülle (bestehend aus Elektronen) aufgebaut sind. Nach der Entdeckung der Teilchen, die das Atom aufbauen, wurden – zunächst hauptsächlich in der kosmischen Strahlung – eine Vielzahl weiterer Teilchen (beispielsweise Myon, Pion oder Kaon) sowie Antiteilchen entdeckt. In der Folge stieß man auf eine Substruktur der Nukleonen und anderer Hadronen, die Quarks. Im Ergebnis folgte die Entwicklung des Standardmodells der Elementarteilchenphysik. Es enthält alle Teilchen, die aus heutiger Sicht als Elementarteilchen gelten. EigenschaftenWechselwirkungen und LadungenIn der Physik gibt es vier Grundkräfte:
Der Gravitation unterliegen alle Elementarteilchen (siehe Masse). In der Teilchenphysik lässt man die Gravitation wegen ihrer geringen Stärke meist außer Betracht. Einige Elementarteilchen unterliegen auch allen übrigen drei Wechselwirkungen, andere nur einigen von ihnen. Beschrieben wird dies durch die Ladungen:
Masse (Ruheenergie)Aufgrund der Einsteinschen Gleichung E=m c2 entspricht der Masse eines Teilchens ein Energiewert, die Ruheenergie. In der Teilchenphysik gibt man Energien üblicherweise in Elektronenvolt (eV) an; damit ergibt sich für die Masse die Einheit eV/c2. (Diese Mischform aus Größe und Einheit wird verwendet, weil in den natürlichen Einheiten die Lichtgeschwindigkeit c=1 und dimensionslos gesetzt wird und somit auch die Dimension von Energie und Masse eigentlich dieselbe ist. Die Schreibweise eV/c2 vermeidet Missverständnisse und erleichtert Umrechnungen in andere Einheitensysteme mit c≠1). Die typische Größenordnung für Massen von Elementarteilchen ist das Gigaelektronenvolt (GeV/c2 = 109 eV/c2). Beispielsweise ist die Masse eines Protons 0,938 GeV/c2, während das sehr leichte Elektron nur eine Masse von 0,000511 GeV/c2 hat. Masselos sind nach heutigem Wissen nur das Photon und die Gluonen. Nach dem Standardmodell haben zwar auch die Neutrinos keine Masse, jedoch legen Experimente und Theorie zur Neutrinooszillation inzwischen eine Neutrinomasse ungleich Null und mithin eine Korrektur des Standardmodells nahe. Einen Massenrekord hält das Top-Quark mit 173,1 GeV/c2 (zum Vergleich: ein Proton enthält bereits drei Quarks, allerdings die leichteren Up- und Down-Quarks). SpinViele Elementarteilchen besitzen eine Art Eigendrehimpuls, der als Spin bezeichnet wird. Dieser Eigendrehimpuls kann keine beliebigen Werte annehmen, sondern ist quantisiert und tritt nur in ganz- oder halbzahligen Vielfachen des Wirkungsquantums $ \hbar $ auf. Der Spin ist eine inhärente Eigenschaft der Teilchen, sein Betrag ist unveränderlich, nur die Ausrichtung des Spins lässt sich ändern. Teilchen mit ganzzahligem Spin ($ 0\hbar $, $ 1\hbar $, $ 2\hbar $, …) nennt man Bosonen, solche mit halbzahligem Spin ($ {\tfrac {1}{2}}\hbar $, $ {\tfrac {3}{2}}\hbar $, …) heißen Fermionen. Weitere QuantenzahlenWeitere Quantenzahlen charakterisieren die Identität von Quarks und Leptonen und Erhaltungsgrößen, z. B. Isospin, Strangeness, Baryonenzahl, Leptonenzahl. LebensdauerDie meisten Teilchen sind nicht stabil, sondern wandeln sich in andere mit geringerer Masse um. Bei diesem Prozess entstehen weitere Teilchen; daher bezeichnet man solch einen Vorgang (mit etwas unglücklicher Wortwahl) als Zerfall. Die Lebensdauer instabiler Teilchen hängt sehr davon ab, über welche Wechselwirkung sie zerfallen können. Teilchen, die nur über die schwache Wechselwirkung zerfallen können, sind mit typischerweise 10−10 bis 10−8 Sekunden verhältnismäßig langlebig. Als stabil werden Teilchen angesehen, bei denen ein Zerfall (bisher) nicht beobachtet werden konnte. Erklärt wird die Stabilität jeweils mit einem Erhaltungssatz. So „kann“ zum Beispiel das Elektron nicht zerfallen, weil die elektrische Ladung erfahrungsgemäß erhalten bleiben muss, es aber kein leichteres geladenes Teilchen gibt. Das Proton „kann“ nicht zerfallen, weil es kein leichteres Baryon gibt (allerdings wird der Erhaltungssatz für die Baryonenzahl heute angezweifelt). AntimaterieZu jedem Teilchen gibt es ein Antiteilchen. Während einige Eigenschaften identisch mit denen des zugehörigen Teilchens sind (wie beispielsweise die Masse und der Betrag des Spins), drehen eine Reihe von Quantenzahlen ihr Vorzeichen um (z. B. die Ladung, aber auch Erhaltungszahlen wie die Baryonen- oder Leptonenzahl). So ist beispielsweise das Proton positiv geladen und das Antiproton negativ. Neutrale Teilchen können ihr eigenes Antiteilchen sein, wenn sie sich durch keine Quantenzahl voneinander unterscheiden (z. B. das Photon). Die (ebenfalls neutralen) Neutrinos sind aber nicht identisch mit den Antineutrinos, die sich durch die Leptonenzahl voneinander unterscheiden und sich im Experiment auch unterschiedlich verhalten. Da Erhaltungszahlen bei Antiteilchen ihr Vorzeichen wechseln, ist es möglich, paarweise neue Teilchen- und Antiteilchen zu erzeugen (Paarbildung). So können beispielsweise durch die (entsprechend energiereiche) Kollision zweier Teilchen mit Baryonenzahl 0 ein Proton (Baryonenzahl 1) und ein Antiproton (Baryonenzahl −1) entstehen. Die umgekehrte Reaktion findet ebenfalls statt: Während für sich genommen Proton und Antiproton jeweils aufgrund der Baryonenzahlerhaltung stabil sind, vernichten sie sich bei Kontakt miteinander sofort (Annihilation). FundamentalteilchenGraphische Darstellung der experimentell nachgewiesenen und der bekanntesten hypothetischen Elementarteilchen (hier Fundamentalteilchen genannt). LeptonenLeptonen sind elementare Materieteilchen, die nicht der starken Wechselwirkung unterliegen. Sie haben Spin-1/2, sind also Fermionen. Es gibt drei geladene Leptonen (Ladung = −1e): das Elektron (e), das Myon (μ) und das τ-Lepton (τ). Als leichtestes geladenes Teilchen ist das Elektron stabil. Des Weiteren kennt man drei elektrisch neutrale Neutrinos: das Elektron-Neutrino (νe), das Myon-Neutrino (νμ) und das Tauon-Neutrino (ντ). Die Leptonen werden in drei Generationen oder Familien angeordnet: (νe,e), (νμ,μ) und (ντ,τ). Zu jedem dieser Leptonen gibt es ein Antiteilchen, das generell durch die vorangestellte Silbe Anti- gekennzeichnet wird. Aus historischen Gründen trägt das Antiteilchen des Elektrons die Bezeichnung Positron. Bei der Erzeugung oder Vernichtung eines Leptons entsteht bzw. verschwindet immer auch ein Antilepton. Man beschreibt diesen Sachverhalt mit der Leptonenzahl L: setzt man für jedes Lepton L=+1 und für jedes Antilepton L=−1, so bleibt L bei allen bekannten physikalischen Vorgängen konstant.
QuarksAuch Quarks sind Spin-1/2-Teilchen. Im Gegensatz zu Leptonen tragen sie eine Farbladung und unterliegen daher der starken Wechselwirkung. Es gibt drei Quarks mit der elektrischen Ladung von −1/3 Elementarladungen: down (d), strange (s) und bottom (b) und drei Quarks mit der elektrischen Ladung von +2/3 Elementarladungen: up (u), charm (c) und top (t). Somit kennt man auch für Quarks drei Generationen oder Familien: (d,u), (s,c) und (b,t). Umwandlungen von Quarks finden vorzugsweise innerhalb einer Generation statt (z. B. c ⇒ s). Bei der Erzeugung oder Vernichtung eines Quarks entsteht bzw. verschwindet immer auch ein Antiquark. Man beschreibt diesen Sachverhalt mit der Baryonenzahl B: setzt man für jedes Quark B=+1/3 und für jedes Antiquark B=−1/3, so bleibt B bei allen bekannten physikalischen Vorgängen konstant. Quarks werden niemals frei beobachtet, sondern nur gebunden in Hadronen (siehe Abschnitt „Zusammengesetzte Teilchen“ weiter unten).
Austauschteilchen (Eichbosonen)Die Austauschteilchen vermitteln die Wechselwirkungen zwischen den Elementarteilchen. Sie werden im Standardmodell vorhergesagt, haben ganzzahligen Spin und sind daher Bosonen. Der physikalische Fachausdruck für die Austauschteilchen ist Eichbosonen, da es sich beim Standardmodell um eine Eichtheorie handelt. Das Graviton ist kein Teilchen des Standardmodells, wird aber häufig im Zusammenhang mit den anderen Austauschteilchen erwähnt, was die Hoffnung widerspiegelt, dass in zukünftigen teilchenphysikalischen Modellen auch die gravitative Wechselwirkung korrekt behandelt werden kann. Alle Eichbosonen mit Ausnahme des Gravitons sind von Experimenten bestätigt; die in nebenstehender Tabelle angegebenen Eigenschaften des Gravitons sind als „educated guess“ zu verstehen und folgen aus der Allgemeinen Relativitätstheorie. Es gibt insgesamt acht Gluonen, die jeweils Kombinationen zweier Farbladungen tragen und die Wechselwirkung zwischen diesen beiden Farbladungen vermitteln. Sie haben keine individuellen Namen bekommen, im Unterschied zu den drei Bosonen, die die schwache Wechselwirkung vermitteln: W+, W− und das neutrale Z-Boson. Die elektromagnetische Wechselwirkung wird durch nur ein Boson vermittelt, das Photon. Eichbosonen können selbst auch Ladungen tragen, und somit den Wechselwirkungen unterliegen. Beispiele sind die Gluonen, die selbst Farbladung tragen, oder die W-Bosonen, die elektrisch geladen sind. Auch die Umwandlung eines Teilchens in ein anderes wird durch die Austauschteilchen vermittelt. Zum Beispiel wird bei der Umwandlung eines down-Quarks in ein up-Quark ein virtuelles W−-Boson erzeugt, das sich in ein Elektron und ein Neutrino umwandelt (dieser Prozess liegt dem sog. Betazerfall zugrunde).
Das Higgs-BosonDas Higgs-Boson ist ein Elementarteilchen, das im Rahmen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik vorausgesagt wird. Das Higgs-Boson spielt eine besondere Rolle im Standardmodell, da es über den Higgs-Mechanismus den prinzipiell zunächst masselosen Elementarteilchen eine Masse verleiht. Das europäische Kernforschungszentrum CERN berichtete am 4. Juli 2012 von der Beobachtung eines Bosons, das mit der Theorie des Higgs-Teilchens übereinstimmt. Zusammengesetzte TeilchenÜbersicht einiger Hadronen Aus Quarks (und Gluonen) zusammengesetzte Teilchen nennt man Hadronen. Im erweiterten Sinne gelten auch diese als Elementarteilchen. Sie lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Mesonen und Baryonen. MesonenHauptartikel: Meson Mesonen haben ganzzahligen Spin, sind also Bosonen. Sie sind Bindungszustände aus einem Quark und einem Antiquark. Das leichteste Meson ist das Pion. BaryonenHauptartikel: Baryon, Liste der Baryonen Baryonen haben halbzahligen Spin, sind also Fermionen. Sie lassen sich als Bindungszustände aus drei Quarks deuten (analog Antibaryonen aus drei Antiquarks). Nach heutigem Wissensstand werden Baryonen immer nur paarweise als Baryon und Antibaryon erzeugt; beim Zerfall eines (Anti)Baryons entsteht immer ein anderes (Anti)Baryon. Die Zahl der Baryonen bleibt also konstant (Erhaltung der Baryonenzahl). Die wichtigsten Baryonen sind das Proton und das Neutron, die, da sie Bestandteile von Atomkernen sind, zusammengefasst als Nukleonen bezeichnet werden. Baryonen, die mindestens ein s-Quark enthalten aber keine c- oder b-Quarks, nennt man auch Hyperonen. Hypothetische ElementarteilchenIn theoretischen Modellen, die zum Teil plausibel, zum Teil aber sehr spekulativ sind, wurden weitere Teilchen postuliert. Hierzu gehören:
Zitate
Literatur
Weblinks
Einzelnachweise
Normdaten (Sachbegriff): GND: 4014413-6 Welche Elementarteilchen sind an einer chemischen Reaktion beteiligt?Atome: kleinste Teilchen, die durch chemische Reaktionen nicht weiter zerlegt werden können. Moleküle: Teilchen, die sich aus 2 oder mehreren Nichtmetall-Atomen zusammensetzen. Moleküle von Elementen bestehen aus einer Atomsorte, Moleküle von Verbindungen aus verschiedenen Atomsorten.
Welche Arten von Elementarteilchen gibt es?Für ein beliebiges Atom im Periodensystem der Elemente benötigt es also nur vier Arten von Elementarteilchen:. Up-Quark.. Down-Quark.. Elektron.. Bosonen.. Welche Elementarteilchen gibt es und wie unterscheiden sich diese?Es gibt drei geladene Leptonen (Ladung = -1e): das Elektron (e), das Myon (μ) und das Tauon (τ). Als leichtestes geladenes Teilchen ist das Elektron stabil. Des weiteren kennt man drei elektrisch neutrale Neutrinos: das Elektron-Neutrino (νe), das Myon-Neutrino (νμ) und das Tauon-Neutrino (ντ).
Wie heißen alle Elementarteilchen?Elementarteilchen einfach erklärt
Nach dem Standardmodell der Teilchenphysik zählen zu den Elementarteilchen die Quarks, Leptonen, Eichbosonen (Wechselwirkungsteilchen) und das Higgs-Boson.
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