Physik compact, Basiswissen 8, Schulbuch

74 Mikrokosmos 22 Elementarteilchen (elementary particles) Mit dem Bau von immer leistungsfähigeren Teilchen- beschleunigern (vgl. Kap. 22.1.2) und dem Einsatz neuartiger Detektoren konnten im 20. Jahrhundert zahlreiche neue Teilchen entdeckt werden. Sie bilden die Bausteine der Atome. Auf Grund ihrer Masse las- sen sie sich grob in zwei Gruppen einteilen: Die Hadronen (hadrons) unterliegen der starken Wechselwirkung. Sie werden von noch kleineren Teil- chen, den Quarks , aufgebaut. Ihrer Masse und ihrem Spin nach unterscheidet man die Baryonen (halbzah- liger Spin) und Mesonen (ganzzahliger Spin). Die Leptonen (leptons) unterliegen der schwachen Wechselwirkung. Zu ihnen zählen Elektron, Myon, Tauon und Neutrino. Weitere Teilchen sind die Eichbosonen , welche die Grundlage für alle Wechselwirkungen bilden. Alle bekannten Teilchen und ihre Wechselwirkungen (elektrische, starke oder schwache) werden heute im so genannten Standardmodell beschrieben. Den- noch sind einige Fragen ungeklärt: 1. Warum gibt es genau drei verschiedene Typen von Quarks und Leptonen? 2. Sind Quarks oder Leptonen aus noch kleineren Strukturen aufgebaut, oder sind sie tatsächlich„fun- damentale“ Teilchen? 3. Warum haben diese Teilchen genau die beobachte- ten Massen? 4. Warumbesteht das Universum aus mehr Materie als Antimaterie? 5. Woraus besteht die„dunkle Materie“ und die„dunk- le Energie“ des Universums? Der Bau neuartiger Anlagen in der Teilchenphysik hat bedeutende Auswirkungen auf die allgemeine tech- nologische Entwicklung (zB neue Halbleiterverbin- dungen und neue bildgebende Verfahren). 22.7 Leptonen unterliegen nicht der starken Wechselwir- kung. Zusammen mit den Quarks gehören sie zu den 12 fundamentalen Materieteilchen. Eichbosonen sind die Träger der elektrischen Kraft (Photon), der schwachen Kraft (W – -, W + - und Z-Boson), der starken Kraft (8 Gluonen) und der Gravitation (Graviton). Die Elementarteilchen sind die kleinsten Bausteine der Materie. Die Erforschung und Beschreibung ihrer Eigenschaften und Wechselwirkungen sollen sowohl ein Verständnis des Mikrokosmos (Atombau) als auch des Makrokosmos (Universum) ermöglichen. Elementarteilchen Teilchen Masse (MeV/ c 0 2 ) Ladung ( e ) Spin ( h /2 r = ħ ) Anti- teilchen Leptonen elektron e – 0,511 –1 1/2 e + Myon n – 106 –1 1/2 n + tauon x – 1784 –1 1/2 x + elektron-neutrino o e < 2 · 10 –6 0 1/2 e o Myon-neutrino o n < 0,2 0 1/2 o n tauon-neutrino o x < 24 0 1/2 o x eichbosonen photon c 0 0 1 c Z-boson Z 0 91 · 10 3 0 1 Z 0 W-bosonW – , W + 82 · 10 3 –1, +1 1 W + , W – Gluon g 0 0 1 g Graviton (hypothetisch) 0 0 2 Teilchen Masse (MeV/ c 0 2 ) Ladung ( e ) Spin ( h /2 r = ħ ) Anti- teilchen hADRonen bARYonen proton p 938 1 1/2 p neutron n 940 0 1/2 n hyperonen K 0 1116 0 1/2 0 K R + 1190 1 1/2 R + R 0 1193 0 1/2 0 R R – 1197 –1 1/2 R - N 0 1315 0 1/2 0 N N – 1321 –1 1/2 N - X – 1672 –1 3/2 X - : : : : : Mesonen r – 140 –1 0 r + r 0 135 0 0 r 0 : : : : : Abb. 74.2 Leptonen und Eichbosonen TH8/K3 Abb. 74.1 Hadronen werden in Baryonen (baryons, „schwere Teilchen“, halbzahliger Spin) und Mesonen (mesons, „mittel- schwere Teilchen“, ganzzahliger Spin) eingeteilt. Die Tabelle enthält nur eine Auswahl aus mehreren hundert Teilchen. Diese sind nicht fundamental, sondern aus 6 Arten von Quarks aufge- baut (vgl. Kap. 22.7.2). Erhaltungssätze 22.7.1 N r zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv