Subatomares Teilchen

Grundidee und Einordnung

Subatomare Teilchen sind Teilchen, die kleiner als ein Atom sind, aber nicht unbedingt leichter. Sie sind Gegenstand vor allem der Teilchenphysik und der Kernphysik. Grundsätzlich werden sie in Elementarteilchen und zusammengesetzte Teilchen eingeteilt.

Im 20. Jahrhundert wurden sehr viele solcher Teilchen entdeckt; diese Vielfalt wurde zeitweise als „Teilchenzoo“ bezeichnet. Das Konzept der Quarks ermöglichte es, die innere Struktur der Hadronen zu verstehen. Die Entwicklung führte zum Standardmodell, das seit etwa 50 Jahren besteht.

Elementarteilchen und zusammengesetzte Teilchen

Zu den bestätigten Elementarteilchen des Standardmodells gehören Quarks, Leptonen, Eichbosonen und das Higgs-Boson. Beispiele für Elementarteilchen sind das Photon und das Elektron.

Zusammengesetzte Teilchen mit subatomaren Dimensionen bestehen aus Kombinationen von Quarks. Quarks können nicht einzeln beobachtet oder gemessen werden, sondern nur über ihre Zerfallsprodukte. Die wichtigsten zusammengesetzten Teilchen sind Hadronen:

• Mesonen bestehen aus einem Quark und einem Antiquark.
• Baryonen bestehen aus 3 Quarks. Zu ihnen gehören die Nukleonen Proton und Neutron.
• Exotische Hadronen sind Tetraquarks und Pentaquarks.

Auch Atomkerne zählen zu den sonstigen zusammengesetzten Teilchen. Beispiele sind Proton, Neutron, Alphateilchen und allgemein Atomkerne. Oberhalb der subatomaren Ebene können exotische Atome aus Hadronen und weiteren Elementarteilchen entstehen; ein Beispiel ist myonischer Wasserstoff.

Fermionen und Bosonen

Eine weitere grundlegende Einteilung unterscheidet Fermionen und Bosonen. Fermionen und Bosonen haben unterschiedliche Wahrscheinlichkeitsverteilungen: Fermionen folgen der Fermi-Dirac-Statistik, Bosonen der Bose-Einstein-Statistik. Die Besetzungszahl ⟨n⟩ hängt dabei von der Differenz zwischen Energie E und chemischem Potential μ ab; dies gilt im dargestellten Spezialfall ohne Wechselwirkungen und bei konstanter Temperatur T > 0.

Nach dem Pauli-Prinzip darf sich in jedem Quantenzustand eines Systems, etwa eines Atoms, höchstens ein Fermion einer gegebenen Art befinden. Für Bosonen gilt diese Beschränkung nicht. Über das Spin-Statistik-Theorem ist die Statistik mit dem Spin verbunden: Fermionen haben halbzahligen, Bosonen ganzzahligen Spin.

Elementare Fermionen sind Leptonen und Quarks. Sie können nur gemeinsam mit einem Antiteilchen erzeugt oder vernichtet werden. Erhaltungssätze der Teilchenanzahl, insbesondere Baryonenzahl und Leptonenzahl, beschreiben diese Beobachtung und erklären die Stabilität der Materie. Elementare Bosonen können dagegen einzeln entstehen und vergehen.

Proton, Neutron und Elektron – alle Bestandteile des Atoms – sind Fermionen. Das Pauli-Prinzip erklärt den Aufbau von Atomkernen und Elektronenhüllen. Die meisten Elementarteilchen sind Fermionen; Eichbosonen einschließlich des Photons sowie das Higgs-Teilchen sind Bosonen. Unter den zusammengesetzten Teilchen sind Mesonen Bosonen.

Quantenphysikalische Phänomene

Wegen ihrer Kleinheit zeigen subatomare Teilchen quantenphysikalische Eigenschaften besonders deutlich. Dazu gehören der Welle-Teilchen-Dualismus, die Unschärferelationen, Vakuumfluktuationen sowie Erzeugungs- und Vernichtungsprozesse.

Wichtige Phänomene auf dieser Ebene sind Radioaktivität, Kernfusion und der photoelektrische Effekt. Für die Stabilität des Atomkerns ist bedeutsam, dass seine Masse hauptsächlich aus der Bindungsenergie der Quarks innerhalb der Protonen und Neutronen entsteht.

Wichtige Entdeckungen

Das Elektron wurde theoretisch 1874 von G. Johnstone Stoney vorgeschlagen und 1897 von J. J. Thomson entdeckt. Stoney schlug 1891 den Namen vor, weil das Elektron als minimale Einheit der elektrischen Ladung galt. Das Alphateilchen entdeckte Ernest Rutherford 1899; 1907 bestätigten Rutherford und Thomas Royds, dass es sich um Heliumkerne handelt.

Für das Photon stehen in der Darstellung zwei experimentelle Zuordnungen: Albert Einstein beschrieb es 1905 als Licht beim Photoeffekt, Ernest Rutherford 1899 als Gammastrahlung. Max Planck lieferte 1900 das theoretische Konzept, das zum Verständnis des Schwarzkörperproblems der Thermodynamik nötig war. Rutherford entdeckte 1919 das Proton, den Kern des Wasserstoffatoms und das erste Nukleon der Atomkerne. Das Neutron wurde theoretisch 1918, eventuell bereits 1917, Rutherford zugeschrieben und 1932 von James Chadwick entdeckt.

Paul Dirac sagte 1928 das Positron voraus, Carl D. Anderson wies es 1932 nach. Es ist das Antiteilchen des Elektrons und der erste Nachweis von Antimaterie. Das Pion wurde 1935 von Hideki Yukawa theoretisch beschrieben und 1947 von César Lattes, Giuseppe Occhialini und Cecil Powell entdeckt; das Pion-Austauschmodell beschreibt Kräfte im Atomkern. Anderson entdeckte 1936 das Myon. Das Kaon wurde 1947 in der kosmischen Strahlung entdeckt und war das erste Teilchen mit einem Strange-Quark. Das Lambda-Baryon wurde 1950 entdeckt, möglicherweise aber schon 1947 an der Universität Melbourne; es war das erste entdeckte Hyperon.

Wolfgang Pauli schlug das Neutrino 1930 vor, Enrico Fermi gab ihm den Namen; Clyde Cowan und Frederick Reines entdeckten es 1956. Es wird benötigt, um das Energiespektrum beim Betazerfall zu verstehen. Murray Gell-Mann und George Zweig entwickelten 1964 das Quark-Modell mit up-, down- und strange-Quark; es wurde indirekt bestätigt, weil es den Teilchenzoo erklärt.

Das Charm-Quark wurde 1970 theoretisch vorgeschlagen und 1974 gleichzeitig von Gruppen um Burton Richter am Stanford Linear Accelerator Center sowie Samuel Chao Chung Ting am Brookhaven National Laboratory entdeckt; es ist Bestandteil des J/ψ-Mesons. Das Bottom-Quark wurde 1973 vorhergesagt und 1977 am Fermilab durch die Gruppe von Leon Max Lederman entdeckt; es ist Bestandteil des Υ-Mesons. W-Bosonen und Z-Boson wurden 1968 von Glashow, Weinberg und Salam theoretisch beschrieben und 1983 am CERN entdeckt; ihre Eigenschaften wurden in den 1990er Jahren bestätigt. Das 1973 vorhergesagte Top-Quark wurde 1995 entdeckt; seine Lebensdauer ist zu kurz für einen direkten Nachweis in einem Hadron. Das Higgs-Boson wurde 1964 von Peter Higgs et al. theoretisch vorgeschlagen, 2012 am CERN entdeckt und spätestens seit 2014 bestätigt.