Teilchen

Ein Teilchen ist allgemein ein Objekt mit einer Masse und einer räumlichen Ausdehnung. Es kann sich durch den Raum bewegen und bestimmte Eigenschaften wie Ladung, Spin und Impuls besitzen.

Arten von Teilchen

• Elementarteilchen sind die kleinsten bekannten Teilchen, aus denen die Materie besteht. Dazu gehören Quarks (z.B. Up-Quark, Down-Quark), Leptonen (z.B. Elektron, Neutrino) und Bosonen (z.B. Photon, W- und Z-Boson). Elementarteilchen sind fundamental, was bedeutet, dass sie nicht in kleinere Bestandteile zerlegt werden können.

• Hadronen bestehen aus Quarks und werden durch die starke Kernkraft zusammengehalten. Die bekanntesten Hadronen sind Protonen und Neutronen, die die Bausteine von Atomkernen sind. Es gibt auch andere Hadronen wie Pionen, Kaonen usw.

• Leptonen sind ebenfalls elementar und gehören nicht zur Kategorie der Hadronen. Bekannte Leptonen sind das Elektron, das Myon, das Tau-Neutrino usw.

• Bosonen sind Vermittler von Kräften in der Natur. Das bekannteste ist das Photon, das das Austauschteilchen für die elektromagnetische Kraft ist. Andere Bosonen sind das W- und Z-Boson (schwache Kernkraft) und das Gluon (starke Kernkraft).

• Mesonen bestehen aus einem Quark und einem Antiquark und gehören zur Kategorie der Hadronen. Beispiele sind das Pion, das Kaon usw.

• Neutrinos sind elektrisch neutrale, elementare Teilchen, die eine sehr geringe Masse haben und nur durch die schwache Kernkraft beeinflusst werden. Es gibt drei Arten von Neutrinos: Elektron-Neutrino, Myon-Neutrino und Tau-Neutrino.

Antiteilchen

Jedes bekannte Teilchen hat eine entsprechende Antiteilchen-Version mit entgegengesetzter Ladung. Beispielsweise ist das Antiteilchen des Elektrons das Positron und das Antiteilchen des Protons das Antiproton. Masse, Spin und Lebensdauer von Teilchen und Antiteilchen sowie ihre Wechselwirkungen sind identisch. Ihre elektrische Ladung und ihr magnetisches Moment (und die sog. ladungsartigen Quantenzahlen) sind im Vorzeichen entgegengesetzt, aber im Betrag gleich. Ein Elektron hat beispielsweise die Ladung -1e, das Positron hat hingegen die Ladung +1e. Teilchen können ihre eigenen Antiteilchen sein, wenn ihre ladungsartigen Quantenzahlen in Summe null sind, wie z.B. bei Neutrinos.

Hypothetische Teilchen

Es gibt hypothetische Teilchen, die bisher nicht experimentell nachgewiesen werden konnten. Einige ergeben sich aus theoretischen Überlegungen oder werden von Beobachtungen nahegelegt. Dadurch können (vorerst) Lücken in Theorien und Modellen geschlossen bzw. existierende Konflikte in Theorien gelöst werden. Beispielsweise gibt es Teilchen, die Wechselwirkungen vermitteln (s.u.), wie z.B. Photonen elektromagnetische Wechselwirkungen vermitteln. Für die Gravitation wurde bisher kein solches vermittelndes Teilchen gefunden, daher nimmt man das hypothetische Teilchen der Gravitonen an. Weitere hypothetische Teilchen sind Axione und Leptoquarks.

Materie & Wechselwirkung

Eine weitere Einteilung von Teilchen betrifft ihre Funktion. Im Standardmodell der Teilchenphysik werden Materieteilchen und Wechselwirkungsteilchen unterschieden.

Materieteilchen sind die "Bausteine" von Materie. Es werden Fermionen (Elementarteilchen) und nichtelementare Teilchen, die aus Fermionen zusammengesetzt sind, unterschieden. Zu den Fermionen gehören Quarks und Leptonen. Die Quarks unterliegen im Gegensatz zu Leptonen der Farbwechselwirkung (auch starke Wechselwirkung, s.u.).

Wechselwirkungsteilchen (auch Vektorbosonen oder Austauschteilchen) vermitteln die Wechselwirkungen zwischen Teilchen, können aber auch eigenständig auftreten. Im Standardmodell werden drei Arten von Wechselwirkungsteilchen unterschieden:

• Photonen vermitteln elektromagnetische Kräfte
• Gluonen vermitteln die starke Kernkraft zwischen den Quarks
• W- und Z-Bosonen vermitteln die schwache Kernkraft

Das Higgs-Boson wird nicht als Austauschteilchen angesehen. Vereinfacht gesprochen gibt das Higgs-Boson anderen Teilchen Masse. In der Theorie würden diese Teilchen andernfalls als masselos angesehen, was jedoch nicht ihren beobachteten Eigenschaften übereinstimmt. Andere Teilchen, die nicht mit dem Higgs-Boson interagieren, bleiben masselos. Dadurch konnten zunächst auf theoretischer Ebene Lücken geschlossen werden. 2012 wurde im Large Hadron Collider des CERNs ein Teilchen nachgewiesen, das die postulierten Eigenschaften des Higgs-Bosons besitzt.

Wechselwirkung

Es werden verschiedene Wechselwirkungen zwischen Teilchen (und Körpern) unterschieden, die auch die vier Grundkräfte der Physik genannt werden. Innerhalb des Standardmodells der Teilchenphysik werden drei davon beschrieben, die Gravitation wird im Standardmodell nicht berücksichtigt.

Die starke Wechselwirkung (auch Gluonkraft oder Farbkraft) ist die Bindung zwischen den Quarks in den Hadronen. Quarks und Gluonen haben eine Farbladung (rot, grün, blau, anti-rot, anti-grün oder anti-blau). Diese Farbladungen werden getauscht, wodurch die starke Kraft zwischen den Quarks erhalten bleibt. Eine wichtige Eigenschaft ist dabei das Confinement, das besagt, dass Quarks nie isoliert gefunden werden können, sondern immer im gebundenen Zustand in den Hadronen vorliegen. Unter hohen Energien oder bei kleinem Abstand zwischen den Teilchen sinkt die Stärke dieser Wechselwirkung, wodurch Quarks näherungsweise als freie Teilchen betrachtet werden können. Dieses Phänomen heißt asymptotische Freiheit.

Die schwache Wechselwirkung betrifft den Zerfall instabiler subatomarer Teilchen und bestimmte Arten von Teilchenumwandlungen. Die schwache Wechselwirkung wirkt auf Leptonen, wie Elektronen, Myonen und Tau-Leptonen, sowie auf ihre entsprechenden Neutrinos. Die Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung sind W- und Z-Boson. Das W-Boson kann positiv (W+) oder negativ (W-) geladen sein, während das Z-Boson neutral ist. Unter sehr hohen Energien vereinigen sich die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung zu einer einzigen elektroschwachen Wechselwirkung, was im Weinberg-Salam-Modell beschrieben wird.

Die elektromagnetische Wechselwirkung beschreibt die Wechselwirkung zwischen elektrisch geladenen Teilchen. Durch diese Wechselwirkungen können beispielsweise das Verhalten von Magneten oder Lichtemission und -absorption erklärt werden. Teilchen können positive, negative oder keine elektrische Ladung tragen. Dabei stoßen sich gleiche Ladungen ab und entgegengesetzt geladene Teilchen ziehen sich an. Um elektrisch geladene Teilchen entsteht ein elektrisches Feld, das eine Kraft auf andere geladene Teilchen ausübt (Anziehung oder Abstoßung). Mit größerem Abstand nimmt die Stärke dieses Feldes ab. Sind elektrische Ladungen in Bewegung, entsteht außerdem ein magnetisches Feld senkrecht zur Bewegungsrichtung der elektrischen Ladung (siehe Rechte & linke Hand-Regel). Die elektromagnetische Wechselwirkung wird durch Photonen vermittelt. Sie haben keine Masse und tragen keine elektrische Ladung.

Die Gravitation beschreibt die Kraft, die zwischen Massen wirkt. Diese Kraft ist verantwortlich für Phänomene wie das Fallen von Objekten, die Umlaufbahnen von Planeten um Sterne und die Bildung von Galaxien. Nach dem Gravitationsgesetz von Isaac Newton ist die Anziehungskraft zwischen zwei Massen direkt proportional zum Produkt ihrer Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen. Die Gravitation wird durch die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein auf einer geometrischen Interpretation des Raums und der Zeit erklärt. Gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie entsteht die Gravitationskraft aufgrund der Krümmung der Raumzeit durch Massen und Energie. Schwere Massen verursachen eine Krümmung des Raums, und andere Massen bewegen sich entlang dieser gekrümmten Pfade, was zu der beobachteten Anziehungskraft führt. Für die Gravitation wurde bisher kein Austauschteilchen gefunden, weswegen das hypothetische Graviton angenommen wird.