Elementarteilchen

Grundidee und Standardmodell

Elementarteilchen sind unteilbare subatomare Teilchen und die kleinsten bekannten Bausteine der Materie. Sie sind nach heutigem Wissensstand nicht aus kleineren Untereinheiten zusammengesetzt, haben keine räumliche Unterstruktur und erscheinen punktförmig. Ein bekannter Vertreter ist das Elektron. Ein Stecknadelkopf enthält größenordnungsmäßig 10^{22} Elektronen und 10^{23} Quarks.

Das experimentell gesicherte Standardmodell beschreibt 17 Arten: sechs Quarks, sechs Leptonen, Gluon, Photon, Z-Boson, W-Boson und Higgs-Boson. Quarks und Leptonen sind Materiebausteine. Photon, Gluon sowie W- und Z-Boson vermitteln Wechselwirkungen; das Higgs-Boson wird gewöhnlich weder der Materie noch den Wechselwirkungen zugerechnet. Im Standardmodell sind Teilchen die geringsten Anregungsstufen von Feldern, die zu jeder Zeit an jedem Ort im Raum existieren.

Je drei Farbladungen der sechs Quarkarten, acht Gluonen sowie W^{+} und W^{−} ergeben 37 Teilchenvarianten. Zählt man Antiteilchen hinzu, ergeben sich 61 Arten. Hadronen wie Protonen, Neutronen und Pionen wurden früher ebenfalls Elementarteilchen genannt, bestehen aber aus Quarks und besitzen etwa einen Durchmesser von 10^{−15} m. Zur klaren Abgrenzung heißen die Teilchen des Standardmodells auch Fundamentalteilchen.

Fermionen: Leptonen und Quarks

Fermionen haben halbzahligen Spin und können nur zusammen mit ihren Antiteilchen entstehen oder vergehen. Leptonen und Quarks haben jeweils Spin J={\tfrac {1}{2}}. Sie werden oft Materieteilchen genannt, sind in der Quantenfeldtheorie aber ebenfalls Feldquanten.

Leptonen unterliegen nicht der starken Wechselwirkung; alle nehmen an der schwachen Wechselwirkung teil, elektrisch geladene zusätzlich an der elektromagnetischen. Es gibt drei geladene Leptonen mit Ladung −1e: Elektron e, Myon μ und Tauon τ. Dazu kommen die neutralen Elektron-, Myon- und Tauon-Neutrinos ν_{e}, ν_{μ}, ν_{τ}. Die Familien sind (ν_{e},e), (ν_{μ},μ) und (ν_{τ},τ). Zu jeder gehört eine Leptonenzahl; diese bleibt außer bei Neutrinooszillationen erhalten. Für Leptonen gilt L=+1, für Antileptonen L=−1. Stabil sind nur Elektron und Positron; Myonen und Tauonen zerfallen über die schwache Wechselwirkung.

Quarks tragen zusätzlich zur elektrischen Ladung und zum schwachen Isospin eine Farbladung und unterliegen daher auch der starken Wechselwirkung. Down d, strange s und bottom b haben Ladung −\tfrac {1}{3}e; up u, charm c und top t haben +\tfrac {2}{3}e. Ihre Familien sind (d,u), (s,c) und (b,t). Quarkumwandlungen erfolgen durch die schwache Wechselwirkung und werden durch die Quark-Mischungsmatrix beschrieben. Die Baryonenzahl ist für Quarks B=\tfrac {1}{3}, für Antiquarks B=−\tfrac {1}{3}; bei bekannten Vorgängen bleibt sie erhalten. Quarks werden nie frei, sondern nur gebunden in Hadronen beobachtet.

Bosonen und Grundkräfte

Bosonen haben ganzzahligen Spin und können einzeln erzeugt oder vernichtet werden. Eichbosonen vermitteln die Wechselwirkungen zwischen Fermionen. Photon, Gluonen sowie W- und Z-Bosonen haben Spin 1. Das Photon vermittelt die elektromagnetische Wechselwirkung, hat Ruheenergie 0 und keine elektrische Ladung. Es kann von jedem geladenen Teilchen erzeugt oder vernichtet werden; deshalb hat die elektromagnetische Wechselwirkung unendliche Reichweite.

Gluonen vermitteln die starke Wechselwirkung zwischen Teilchen mit Farbladung. Es gibt acht Gluonen; sie tragen selbst Farbladung und wechselwirken daher auch miteinander. Dies führt zum Confinement: Die starke Wechselwirkung ist effektiv auf etwa 10^{−15} m begrenzt. W^{+}, W^{−} und das neutrale Z^{0}-Boson vermitteln die schwache Wechselwirkung. Ihre Ruheenergien betragen etwa 80 GeV für W und etwa 91 GeV für Z. Wegen ihrer großen Masse reicht diese Wechselwirkung nur größenordnungsmäßig 10^{−18} m weit. W-Bosonen ermöglichen unter anderem Umwandlungen zwischen Quark- oder Leptonarten.

Das Higgs-Boson hat Spin 0, ist kein Eichboson und das Feldquant des allgegenwärtigen Higgs-Felds, das Teilchen ihre Masse verleiht. Eine passende neue Teilchenart wurde 2012 am Large Hadron Collider bei Genf gefunden. Gravitation behandelt das Standardmodell nicht: Das Graviton wäre ein masseloses Boson mit Spin 2, ist aber bisher hypothetisch. Die starke Wechselwirkung betrifft nur Quarks und Gluonen; elektromagnetisch wechselwirken geladene Teilchen und auch das Photon. An der schwachen Wechselwirkung nehmen alle Teilchen außer Gluon, Photon und rechtshändigem Neutrino teil.

Zusammengesetzte Teilchen und Stabilität

Hadronen bestehen aus Quarks und Gluonen. Mesonen haben Baryonenzahl 0, ganzzahligen Spin und sind Bindungszustände eines Quarks mit einem Antiquark. Sie sind alle instabil; das leichteste Meson ist das Pion. Baryonen haben halbzahligen Spin und bestehen aus drei Quarks, Antibaryonen aus drei Antiquarks. Proton und Antiproton sind die einzigen stabilen Baryonen. Proton und Neutron heißen als Kernbestandteile Nukleonen.

Atomkerne sind durch die starke Wechselwirkung gebundene Baryonensysteme, meist aus Protonen und Neutronen. Das kleinste stabile System ist das Deuteron, der Kern des schweren Wasserstoffs: ein Proton und ein Neutron, also sechs Quarks. Atome sind elektromagnetisch gebundene Systeme aus Atomkern und Elektronen. Werden Kernteilchen oder Elektronen ersetzt, entstehen instabile exotische Atome.

Frei und isoliert sind von den Standardmodellteilchen nur Elektron, Positron, Photon und Neutrinos stabil. Quarks und Gluonen können nicht isoliert werden. Neutrinos oszillieren zwischen beobachtbaren Arten; stabile Massen-Eigenzustände sind Mischungen dieser Arten. Andere Teilchen zerfallen spontan in leichtere Teilchen; ihre mittlere Lebensdauer liegt zwischen 2·10^{−6} s beim Myon und 4·10^{−25} s beim Z-Boson. Stabilität folgt daraus, dass Energieerhaltung und weitere Erhaltungssätze keinen Zerfallsweg erlauben. Für das Proton wurden keine Zerfälle beobachtet; seine mittlere Lebensdauer beträgt, falls sie endlich ist, nach Stand 2017 mindestens 10^{35} Jahre.

Erhaltung, Antiteilchen und Teilchenprozesse

Elementarteilchen sind innerlich unveränderlich und identische Teilchen derselben Art sind ununterscheidbar. Sie können erzeugt und vernichtet werden; diese Vorgänge bilden die Grundlage jeder Wechselwirkung. Erhalten bleiben dabei unter anderem Energie, Impuls, Drehimpuls, elektrische Ladung sowie Leptonen- und Baryonenzahl. Weitere innere Eigenschaften sind Ruheenergie, Spin, innere Parität, schwacher Isospin und Farbladung. Die Masse wird über E=m c^{2} als Ruheenergie angegeben. Sie reicht von 0 eV/c^{2} bei Photon und Gluon bis 173 GeV/c^{2} beim Top-Quark; ein Proton hat 938 MeV/c^{2}, ein Elektron 0,511 MeV/c^{2}. Neutrinos haben höchstens etwa 1 eV/c^{2}; ihre genauen Massen sind nicht bestimmt.

Zu jedem Teilchen gibt es ein Antiteilchen mit gleicher Masse, gleichem Spinbetrag und gleicher Lebensdauer, aber entgegengesetzten erhaltenen Ladungen. Photon, Z-Boson und Higgs-Boson sind ihre eigenen Antiteilchen; W^{+} und W^{−} sind gegenseitige Antiteilchen. Treffen Teilchen und passendes Antiteilchen zusammen, können sie annihilieren und ihre Energie, ihren Impuls und Drehimpuls auf neu erzeugte Teilchen übertragen. Umgekehrt kann bei ausreichender Energie Paarbildung stattfinden: Ab 1,02 MeV ist ein Elektron-Positron-Paar möglich, ab 212 MeV auch ein Myon-Antimyon-Paar.

Elementare Wechselwirkungsschritte werden oft als Vertex beschrieben. Ein Dreier-Vertex enthält zwei Fermionen derselben Gruppe – zwei Leptonen oder zwei Quarks – und ein Boson. Beispielsweise wird die Ablenkung eines Elektrons durch Erzeugung oder Absorption eines passenden Austauschteilchens beschrieben. Beim Übergang d → u muss ein W-Boson die Ladungsänderung von −\tfrac {1}{3} zu +\tfrac {2}{3} ausgleichen; dies ist der erste Schritt der Betaradioaktivität. Hypothetische Teilchen jenseits des Standardmodells sind unter anderem sterile Neutrinos, Axionen, Leptoquarks, eine vierte Generation von Quarks und Leptonen, das Graviton sowie supersymmetrische Superpartner.