Grundlagen der Teilchenphysik

Der Begriff der grundlegenden, unteilbaren Teilchen geht auf die alten Griechen zurück (ein Begriff, der als "Atomismus" bekannt ist). Im 20. Jahrhundert begannen die Physiker, das Geschehen auf kleinsten Ebenen der Materie zu erforschen, und zu ihren erstaunlichsten modernen Entdeckungen gehörte die Menge der verschiedenen Teilchen im Universum. Die Quantenphysik sagt 18 Arten von Elementarteilchen voraus, und 16 wurden bereits experimentell nachgewiesen. Die Elementarteilchenphysik zielt darauf ab, die verbleibenden Teilchen zu finden.

Das Standardmodell

Das Standardmodell der Teilchenphysik, das Elementarteilchen in mehrere Gruppen unterteilt, bildet den Kern der modernen Physik. In diesem Modell werden drei der vier fundamentalen Kräfte der Physik zusammen mit Eichbosonen die Teilchen beschrieben, die diese Kräfte vermitteln. Obwohl die Schwerkraft technisch nicht im Standardmodell enthalten ist, arbeiten theoretische Physiker daran, das Modell zu erweitern, um eine Quantentheorie der Schwerkraft einzuschließen und vorherzusagen.

Wenn es eine Sache gibt, die Teilchenphysiker zu mögen scheinen, dann ist es, Teilchen in Gruppen aufzuteilen. Elementarteilchen sind die kleinsten Bestandteile von Materie und Energie. Nach Ansicht der Wissenschaftler scheinen sie nicht aus Kombinationen kleinerer Teilchen zu bestehen.

Materie und Kräfte abbauen

Alle Elementarteilchen in der Physik werden entweder als Fermionen oder als Bosonen klassifiziert. Die Quantenphysik zeigt, dass Teilchen einen intrinsischen "Spin" oder Drehimpuls haben können, der nicht Null ist.

Ein Fermion (benannt nach Enrico Fermi) ist ein Teilchen mit einem halben ganzzahligen Spin, während ein Boson (benannt nach Satyendra Nath Bose) ein Teilchen mit einer ganzen Zahl oder einem ganzzahligen Spin ist. Diese Drehungen führen in bestimmten Situationen zu unterschiedlichen mathematischen Anwendungen. Die einfache Mathematik des Addierens von ganzen und halben Zahlen zeigt Folgendes:

• Das Kombinieren einer ungeraden Anzahl von Fermionen führt zu einer Fermion, da der Gesamtspin immer noch ein halber ganzzahliger Wert ist.
• Die Kombination einer geraden Anzahl von Fermionen ergibt ein Boson, da der Gesamtspin einen ganzzahligen Wert ergibt.

Fermionen

Fermionen haben einen Teilchenspin von einer halben ganzen Zahl (-1/2, 1/2, 3/2 usw.). Diese Teilchen bilden die Materie, die wir in unserem Universum beobachten. Die beiden Hauptbestandteile der Materie sind Quarks und Leptonen. Beide subatomaren Partikel sind Fermionen, sodass alle Bosonen aus einer gleichmäßigen Kombination dieser Partikel entstehen.

Quarks sind die Klasse der Fermionen, aus denen Hadronen wie Protonen und Neutronen bestehen. Quarks sind fundamentale Teilchen, die durch alle vier fundamentalen Kräfte der Physik interagieren: Schwerkraft, Elektromagnetismus, schwache Wechselwirkung und starke Wechselwirkung. Quarks existieren immer in Kombination, um subatomare Teilchen zu bilden, die als Hadronen bekannt sind. Es gibt sechs verschiedene Arten von Quark:

• Bottom Quark
• Seltsamer Quark
• Quark runter
• Spitzenquark
• Charm Quark
• Up Quark

Leptonen sind eine Art Grundpartikel, die keine starke Wechselwirkung erfahren. Es gibt sechs Lepton-Sorten:

• Elektron
• Elektronenneutrino
• Muon
• Muon Neutrino
• Tau
• Tau Neutrino

Jeder der drei "Geschmacksrichtungen" von Lepton (Elektron, Myon und Tau) besteht aus einem "schwachen Dublett", dem oben genannten Teilchen, zusammen mit einem praktisch masselosen neutralen Teilchen, das als Neutrino bezeichnet wird. Das Elektronen-Lepton ist also das schwache Dublett von Elektron und Elektron-Neutrino.

Bosonen

Bosonen haben einen Teilchenspin, der einer ganzen Zahl entspricht (ganze Zahlen wie 1, 2, 3 usw.). Diese Teilchen vermitteln die fundamentalen Kräfte der Physik unter Quantenfeldtheorien.

• Photon
• W Boson
• Z Boson
• Gluon
• Higgs Boson
• Graviton

Verbundpartikel

Hadronen sind Teilchen, die aus mehreren aneinander gebundenen Quarks bestehen, so dass ihr Spin ein halber ganzzahliger Wert ist. Hadronen werden in Mesonen (die Bosonen sind) und Baryonen (die Fermionen sind) unterteilt.

• Mesonen
• Baryonen
• Nukleonen
• Hyperone: kurzlebige Teilchen aus seltsamen Quarks

Moleküle sind komplexe Strukturen, die aus mehreren aneinander gebundenen Atomen bestehen. Als chemischer Grundbaustein der Materie setzen sich Atome aus Elektronen, Protonen und Neutronen zusammen. Protonen und Neutronen sind Nukleonen, die Art von Baryon, die zusammen das zusammengesetzte Teilchen bilden, das der Kern eines Atoms ist. Die Untersuchung, wie Atome sich zu verschiedenen Molekülstrukturen verbinden, ist die Grundlage der modernen Chemie.

Partikelklassifizierung

Es kann schwierig sein, alle Namen in der Teilchenphysik klar zu halten. Daher ist es möglicherweise hilfreich, an die Tierwelt zu denken, in der eine solche strukturierte Benennung vertrauter und intuitiver ist. Menschen sind Primaten, Säugetiere und auch Wirbeltiere. Ebenso sind Protonen Nukleonen, Baryonen, Hadronen und auch Fermionen.

Der unglückliche Unterschied ist, dass die Begriffe dazu neigen, sich ähnlich zu klingen. Das Verwechseln von Bosonen und Baryonen ist zum Beispiel viel einfacher als das Verwechseln von Primaten und Wirbellosen. Die einzige Möglichkeit, diese verschiedenen Partikelgruppen wirklich getrennt zu halten, besteht darin, sie nur sorgfältig zu untersuchen und darauf zu achten, welcher Name verwendet wird.

Herausgegeben von Anne Marie Helmenstine, Ph.D..