mini|hochkant=1.3|Elementarteilchen des Standardmodells Quarks Austauschteilchen Leptonen Higgs-Boson
Elementarteilchen sind unteilbare subatomare Teilchen und die kleinsten bekannten Bausteine der Materie. Ihr bekanntester Vertreter ist das Elektron. Elementarteilchen sind nicht aus kleineren Untereinheiten zusammengesetzt und haben nach heutigem Wissensstand keine räumliche Unterstruktur, d. h. sie sind punktförmig. Objekte des Alltagslebens bestehen aus einer Vielzahl von Elementarteilchen. Zum Beispiel besteht bereits ein Stecknadelkopf aus größenordnungsmäßig 1022 Elektronen und 1023 Quarks. Die Wechselwirkung zwischen Materie wird ebenfalls durch Elementarteilchen beschrieben, die diese Wechselwirkung vermitteln.
Nach dem heutigen durch Experimente gesicherten Wissen, das im Standardmodell der Elementarteilchenphysik zusammengefasst ist, gibt es 17 Arten von Elementarteilchen: 6 Quarks, 6 Leptonen (eines davon das Elektron), das Gluon, das Photon, das Z-Boson, das W-Boson und das Higgs-Boson. Leptonen und Quarks sind Bausteine der Materie. Photon, Gluon, Z- und W-Boson sind die Elementarteilchen der Wechselwirkungen. Das Higgs-Boson wird normalerweise weder der Materie noch den Wechselwirkungen zugerechnet. In der Beschreibung des Standardmodells sind Elementarteilchen die geringsten Anregungsstufen bestimmter Felder, die zu jeder Zeit an jedem Punkt im Raum existieren. Es gibt zahlreiche Ideen für weitere Felder und Elementarteilchen, z. B. Gravitonen als Träger der gravitativen Wechselwirkung. Experimentell konnte aber bislang kein Hinweis auf die Existenz weiterer Elementarteilchen gefunden werden.
Präzisierung des Begriffs
Als Elementarteilchen galten bis zur Entdeckung der Quarks auch alle Arten von Hadronen, z. B. die Kernbausteine Proton, Neutron, das Pion und viele weitere. Wegen der großen Zahl verschiedener Arten sprach man vom „Teilchenzoo“. Die Hadronen werden auch heute noch häufig als Elementarteilchen bezeichnet, obwohl sie nach dem Standardmodell alle aus Quarks zusammengesetzt sind und z. B. auch einen messbaren Durchmesser von der Größenordnung 10−15 m haben.
Zur Vermeidung von Verwechslungen werden die oben nach dem Standardmodell aufgeführten Elementarteilchen gelegentlich als fundamentale Elementarteilchen oder Fundamentalteilchen bezeichnet.
Geschichte und Überblick Materie
Bis ins 20. Jahrhundert hinein war es unter Philosophen wie auch unter Naturwissenschaftlern umstritten, ob die Materie ein Kontinuum sei, das unendlich fein unterteilt werden könne, oder aus elementaren Teilchen aufgebaut ist, die nicht weiter in kleinere Stücke zerteilt werden können. Solche Teilchen wurden von alters her „Atom“ genannt (von griechisch , „das Unteilbare“), der Name Elementarteilchen (bzw. ) taucht nicht vor den 1930er Jahren auf. Früheste bekannte philosophische Überlegungen zu Atomen stammen aus dem griechischen Altertum (Demokrit, Platon). Aus naturwissenschaftlicher Erkenntnis heraus ist dieser Begriff erstmals gegen 1800 mit dem heutigen Inhalt gefüllt worden, als sich nach John Daltons Werk in der Chemie die Einsicht durchzusetzen begann, dass jedes chemische Element aus untereinander gleichen Teilchen besteht. Sie wurden als Atome bezeichnet; dieser Name hat sich gehalten. Die vielfältigen Erscheinungsformen der bekannten Stoffe und ihre Verwandlungsmöglichkeiten konnten dadurch erklärt werden, dass sich die Atome nach einfachen Regeln in verschiedener Weise zu Molekülen verbinden. Die Atome selbst galten als unveränderlich, insbesondere als unzerstörbar. Dieses Bild führte ab 1860 in der kinetischen Gastheorie zu einer mechanischen Erklärung der Gasgesetze durch die ungeordnete Wärmebewegung vieler unsichtbar kleiner Teilchen. Daraus konnte u. a. die tatsächliche Größe der Moleküle bestimmt werden: Sie sind um viele Größenordnungen zu klein, um im Lichtmikroskop sichtbar zu sein.
Dennoch wurde dieses Bild im 19. Jahrhundert als bloße „Atom-Hypothese“ bezeichnet und aus prinzipiellen Gründen kritisiert (siehe Artikel Atom). Es fand erst Anfang des 20. Jahrhunderts im Rahmen der Modernen Physik allgemeine Zustimmung. Einen Durchbruch bewirkte Albert Einstein 1905. Er leitete theoretisch ab, dass die unsichtbar kleinen Atome oder Moleküle aufgrund ihrer Wärmebewegung unregelmäßig mit größeren, schon unter dem Mikroskop sichtbaren Teilchen zusammenstoßen, so dass auch diese in ständiger Bewegung sind. Er konnte die Art der Bewegung dieser größeren Teilchen quantitativ vorhersagen, was ab 1907 durch Jean-Baptiste Perrin durch mikroskopische Beobachtungen an der Brownschen Bewegung und am Sedimentationsgleichgewicht bestätigt wurde. Dies gilt als erster physikalischer Nachweis der Existenz der Moleküle und Atome.
Zur gleichen Zeit ergab sich aber aus den Beobachtungen zur Radioaktivität, dass die Atome, wie sie in der Chemie definiert worden waren, in der Physik weder als unveränderlich noch als unteilbar betrachtet werden können. Vielmehr kann man die Atome in eine Atomhülle aus Elektronen und einen Atomkern unterteilen, der seinerseits aus Protonen und Neutronen zusammengesetzt ist. Daraufhin galten Elektron, Proton und Neutron als Elementarteilchen, alsbald zusammen mit zahlreichen weiteren Teilchenarten, die ab den 1930er Jahren in der kosmischen Strahlung (beispielsweise Myon, Pion, Kaon sowie Positron und weitere Arten Antiteilchen) und ab 1950 in Experimenten an Teilchenbeschleunigern entdeckt wurden.
Aufgrund ihrer großen Zahl und unübersichtlichen Eigenschaften und Beziehungen zueinander wurden alle diese Teilchenarten unter dem Namen „Teilchenzoo“ zusammengefasst, und es gab verbreitet Zweifel, ob sie alle wirklich elementar im Sinne von nicht zusammengesetzt sein könnten. Als erstes Merkmal für eine Einteilung entstand in den 1950er Jahren die Unterscheidung in Hadronen und Leptonen. Die Hadronen wie Proton und Neutron reagieren auf die Starke Wechselwirkung, die Leptonen wie das Elektron nur auf die elektromagnetische und/oder Schwache Wechselwirkung. Während die Leptonen bis heute als elementar gelten, konnten ab den 1970er Jahren in den Hadronen „kleinere“ Teilchen identifiziert werden, die Quarks. Die sechs Arten Quarks sind die nach dem Standardmodell wirklich elementaren Teilchen, aus denen zusammen mit Gluonen die zahlreichen Hadronen des Teilchenzoos aufgebaut sind.
Felder
Physikalische Felder wie das Gravitationsfeld, das Magnetfeld und das elektrische Feld wurden und werden als Kontinuum angesehen. Das heißt, sie haben an jedem Punkt des Raums eine gewisse Feldstärke, die räumlich und zeitlich in kontinuierlicher Weise (d. h. ohne Sprünge) variieren kann. Die Entdeckung, dass beim elektromagnetischen Feld auch elementare Teilchen eine Rolle spielen, wurde 1900 von Max Planck vorbereitet und 1905 von Albert Einstein in Gestalt der Lichtquantenhypothese ausgearbeitet. Demnach können freie elektromagnetische Felder, die sich als Welle fortpflanzen, nur in Sprüngen von der Größe eines Elementarquantums angeregt oder abgeschwächt werden. Dass diese elektromagnetischen Quanten alle Eigenschaften eines Elementarteilchens haben, wurde ab 1923 in Folge der Experimente von Arthur Compton anerkannt. Er zeigte, dass ein einzelnes Elektron sich in einem elektromagnetischen Strahlungsfeld genau so verhält, als würde es dort jeweils mit einem einzelnen Teilchen zusammenstoßen. 1926 erhielt dieses elektromagnetische Quant den Namen Photon.
Um 1930 wurde auf der Grundlage der Quantenmechanik die Quantenelektrodynamik entwickelt, die das Entstehen eines Photons im Emissionsprozess und seine Vernichtung im Absorptionsprozess beschreibt. Im Rahmen dieser Theorie ergibt sich, dass auch die bekannten statischen elektrischen und magnetischen Felder auf die Wirkung von Photonen zurückgehen, die allerdings als sogenannte virtuelle Teilchen erzeugt und vernichtet werden. Damit ist das Photon das Feldquant des elektromagnetischen Feldes und das erste bekannte Austauschteilchen, das das Zustandekommen einer der Grundkräfte der Physik bewirkt.
Daraus ergaben sich zwei weitere Entwicklungen: Die in der Betaradioaktivität beobachtete Entstehung und Vernichtung von Teilchen wie Elektron und Neutrino wurde als Anregung bzw. Abschwächung eines „Elektronfeldes“ oder eines „Neutrinofeldes“ interpretiert, so dass diese Teilchen nun auch als Feldquanten ihres jeweiligen Feldes angesehen werden (siehe Quantenfeldtheorie). Zum anderen wurden für andere Grundkräfte Austauschteilchen gesucht und gefunden: das Gluon für die Starke Wechselwirkung (nachgewiesen 1979), das W-Boson und Z-Boson für die Schwache Wechselwirkung (nachgewiesen 1983). Für die Gravitation, die vierte und bei weitem schwächste der fundamentalen Wechselwirkungen, existiert noch keine anerkannte Quantenfeldtheorie. Zwar unterliegen alle Teilchen der Gravitation, jedoch gelten die Effekte, die bei Reaktionen der Elementarteilchen dadurch theoretisch zu erwarten sind, als unbeobachtbar klein. Gravitation wird im Rahmen des Standardmodells daher nicht behandelt, zumal auch ein zugehöriges Feldquant, das Graviton, bisher rein hypothetisch ist.
Das Higgs-Boson ist das Feldquant eines weiteren Feldes, das in die Quantenfeldtheorie der vereinheitlichten elektromagnetischen und Schwachen Wechselwirkung (Elektroschwache Wechselwirkung) eingefügt wurde, um die Tatsache, dass es Teilchen mit Masse gibt, theoretisch konsistent formulieren zu können. Eine diesen Erwartungen entsprechende neue Teilchenart ist im Jahr 2012 in Experimenten am Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider bei Genf gefunden worden.
Auflistung der Elementarteilchen Übersicht Die heute bekannten Elementarteilchen sind sechs Arten von Quarks sechs Arten Leptonen diverse Vektor- oder Eichbosonen, nämlich das Gluon für die Starke Wechselwirkung, das Photon für die elektromagnetische Wechselwirkung das Z-Boson und das W-Boson für die Schwache Wechselwirkung ein Skalarboson, nämlich das Higgs-Boson. So gezählt sind dies 17 Elementarteilchen.
Die Quarks kommen mit je drei verschiedenen Farbladungen vor, so dass man auch von 18 statt sechs Quarks sprechen kann. Die Gluonen tragen ebenfalls Farbladung, sie kommen in acht Varianten vor. Dementsprechend spricht man üblicherweise von acht verschiedenen Gluonen. Das W-Boson kommt in den Varianten W+ und W− vor. Unter Berücksichtigung dieser Unterschiede kommt man auf 37 Elementarteilchen.
Hinzu kommen Antiteilchen: achtzehn Anti-Quarks sechs Anti-Leptonen.Sollte es sich allerdings bei den Neutrinos um Majorana-Fermionen handeln, dann wären diese jeweils mit ihren Antiteilchen identisch. Bei den acht Gluonen sind deren Antiteilchen bereits eingeschlossen. Die Teilchen Photon, Z-Boson und Higgs-Boson sind jeweils ihr eigenes Antiteilchen. W+ und W− sind ihre gegenseitigen Antiteilchen. In dieser Zählung ergeben sich also insgesamt 61 Arten von Elementarteilchen. Einteilung in Fermionen und Bosonen
Elementare Teilchen Elementare Fermionen Elementare Bosonen„Materieteilchen“ Eichbosonen Higgs-Boson Leptonen Quarks „Kraftteilchen“ νe, νμ, ντ, e−, μ−, τ− d, u, s, c, b, t g, γ, W±, Z0 H0