Elementarteilchen

Elementarteilchen sind die kleinsten bekannten Bausteine der Materie. Das heute von den meisten Physikern aktzeptierte Standardmodell kennt als Elementarteilchen 6 Quarks, 6 Leptonen, die Austauschteilchen sowie das Higgs-Boson. Die Quarks und die Leptonen bilden die eigentliche Materie, die Austauschteilchen sind für die verschiedenen Wechselwirkungen verantwortlich und das Higgs-Boson, das bis heute weder direkt noch indirekt nachgewiesen worden ist, sorgt dafür, dass die Elementarteilchen eine bestimmte Masse erhalten.

Eigenschaften

• Spin: Die eigentlichen Bausteine der Materie, die Quarks und die Leptonen, besitzen einen Eigendrehimpuls (Spin), der halb so gross wie eine Naturkonstante ist. Diese Naturkonstante, [math]\hbar[/math] (h-quer) genannt, verkörpter das kleinste messbare Drehimpulsquantum. Die Austauschteilchen haben dagegen einen ganzzahligen Spin. Ihr Drehimpuls ist entweder Null oder gleich [math]\hbar[/math]. Teilchen mit ganzzahligem Spin nennt man Bosonen, Teilchen mit halbzahligem Spin Fermionen.
• elektrische Ladung: Quarks besitzen neben der elektrischen Ladung noch eine Farbladung.
• Masse: Die Masse (Energie) hängt von der Einbindung der Teilchen ab.

Wechselwirkungen

Neben der sehr schwachen Gravitation unterliegen die Elementarteilchen drei Wechselwirkungen:

• Die Starke Wechselwirkung mit der Farbladung als Quelle und den Gluonen als Austauschteilchen
• Die Schwache Wechselwirkung mit der schwachen Ladung als Quelle und und den Z- und W-Bosonen als Austauschteilchen
• Die Elektromagnetische Wechselwirkung mit der elektrischen Ladung als Quelle und Photonen als Austauschteilchen

Interessanterweise tragen die Gluonen selbst wieder eine starke Ladung, so dass sie nicht nur Träger der starken Wechselwirkung sind, sondern auch selbst der Wechselwirkung unterliegen. Die W-Bosonen der schwachen Wechselwirkung tragen eine elektrische Ladung und wechselwirken demnach auch elektromagnetisch.

Obwohl Elementarteilchen im engeren Sinne nicht aus kleineren Teilchen zusammengesetzt sind können sie aufgrund ihrer Wechselwirkungen trotzdem spontan in andere Teilchen zerfallen, wobei der Ausdruck "zerfallen" hierbei im Sinne von "sich in zwei oder mehr andere Teilchen umwandeln" und nicht im Sinne von "sich in seine Bestandteile auflösen" gemeint ist. Grund hierfür ist, dass Austauschteilchen in der Lage sind, Elementarteilchen in andere Elementarteilchen umzuwandeln.

Elementarteilchen im Sinne des Standardmodells

Leptonen und Quarks

Die Teilchen der Materie werden in zwei Gruppen eingeteilt:

• Quarks unterliegen der starken Wechselwirkung. Sie bilden zu zweit die Mesonen und zu dritt die Hadronen.
• Leptonen besitzen keine Farbladung und unterliegen nur der schwachen und mit Ausnahme der Neutrinos der elektromagnetischen Wechselwirkung.

Leptonen und Quarks besitzen einen halbzahligen Spin und sind daher Fermionen. Sie werden in Generationen oder Familien angeordnet. Äquivalente Teilchen zweier verschiedener Familien (z. B. Elektron und Myon, Up-Quark und Top-Quark) besitzen, mit Ausnahme ihrer Masse identische Eigenschaften.

Familie	Teilchen		Masse · c2	Lebensdauer	elektrische Ladung	Baryonen- zahl	Wechselwirkungen
					in Elementar- ladungen		elektro- magnetisch	stark	schwach
1. Familie	Elektron	e	511 keV	stabil	−1	0	ja	nein	ja
	Elektron-Neutrino	νe	< 3 eV	Neutrinooszillation	0	0	nein	nein	ja
	Up-Quark	u	1,5 bis 4,5 MeV	frei nicht existent	2/3	1/3	ja	ja	ja
	Down-Quark	d	5 bis 8,5 MeV	frei nicht existent	−1/3	1/3	ja	ja	ja
2. Familie	Myon	μ	0,106 GeV	2,2·10−6 s	−1	0	ja	nein	ja
	Myon-Neutrino	νμ	< 0,3 MeV	Neutrinooszillation	0	0	nein	nein	ja
	Charm-Quark	c	1,0 bis 1,4 GeV	frei nicht existent	2/3	1/3	ja	ja	ja
	Strange-Quark	s	80 bis 155 MeV	frei nicht existent	−1/3	1/3	ja	ja	ja
3. Familie	Tau-Lepton	τ	1,777 GeV	3·10−13 s	−1	0	ja	nein	ja
	Tau-Neutrino	ντ	< 30 MeV	Neutrinooszillation	0	0	nein	nein	ja
	Top-Quark	t	169 bis 179 GeV	frei nicht existent	2/3	1/3	ja	ja	ja
	Bottom-Quark	b	4,0 bis 4,5 GeV	frei nicht existent	−1/3	1/3	ja	ja	ja

c ist dabei die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Für top- und bottom-Quark waren auch die Namen truth- und beauty-Quark gebräuchlich. Zu jedem der oben genannten Fermionen gibt es ein Antiteilchen, die generell durch die vorangestellte Silbe Anti- gekennzeichnet werden. Aus historischen Gründen trägt das Antiteilchen des Elektrons die Bezeichnung Positron.

Austauschteilchen (Eichbosonen)

Die Austauschteilchen vermitteln die Wechselwirkungen zwischen den Elementarteilchen der Materie. Sie besitzen einen ganzzahligen Spin und sind daher Bosonen. Der physikalische Fachausdruck für die Austauschteilchen ist Eichbosonen, da es sich beim Standardmodell um eine Eichtheorie handelt.

Das Graviton ist kein Teilchen des Standardmodells, wird aber häufig im Zusammenhang mit den anderen Austauschteilchen erwähnt, was die Hoffnung widerspiegelt, dass in zukünftigen teilchenphysikalischen Modellen auch die gravitative Wechselwirkung korrekt behandelt werden kann. Alle Eichbosonen mit Ausnahme des Gravitons sind von Experimenten bestätigt; die in untenstehender Tabelle angegebenen Eigenschaften des Gravitons sind als "educated guess" zu verstehen und folgen aus der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Teilchen	Masse · c2	Spin	elektrische Ladung	vermittelte Wechselwirkung
Photon	0	1	0	elektromagnetische WW
Z0-Boson	ca. 91 GeV	1	0	schwache WW
W+-Boson	ca. 80 GeV	1	1
W−-Boson	ca. 80 GeV	1	-1
Gluonen	0	1	0	starke WW
(Graviton)	0	2	0	Gravitation

Es gibt insgesamt 8 Gluonen, die jeweils Kombinationen zweier Farbladungen tragen, und die Wechselwirkung zwischen diesen beiden Farbladungen vermitteln. Sie haben keine individuellen Namen bekommen, im Unterschied zu den 3 Bosonen, die die schwache Wechselwirkung vermitteln: W⁺, W⁻ und das neutrale Z-Boson. Die elektromagnetische Wechselwirkung wird durch nur 1 Boson, das Photon, vermittelt.

Das Higgs-Boson

Das Higgs-Boson ist ein bislang nicht nachgewiesenes, hypothetisches Elementarteilchen. Es wird aufgrund theoretischer Überlegungen vom Standardmodell der Elementarteilchenphysik vorausgesagt. Um konsistent mit bisherigen experimentellen Daten zu sein, erwartet man eine Masse von etwa 110 bis 250 GeV. Das Higgs-Boson entsteht durch den Higgs-Mechanismus, welcher das Problem löst, dass massive Austauschteilchen (das Z und das W) in Eichtheorien eigentlich nicht vorkommen dürfen.