Astronomie: Teilchenphysik

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Gehört zu: Physik
Siehe auch: Quantenphysik, SVG, Kosmologie, Quantenfeldtheorie, Gravitation
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Teilchenphysik

In der Teilchenphysik unterscheidet man Elementarteilchen und zusammengesetzte Teilchen. Wobei es sich im Laufe der Jahrhunderte immer etwas geändert hat, was als “elementar” angesehen wurde.

Die Teilchenphysik wurde von Murray Gell-Mann (1929-2019) sehr befruchtet. Er gilt als Entdecker der Quarks und schaffte Ordnung bei den Elementarteilchen.

Im Jahr 1969 wurde Gell-Mann im Alter von 40 Jahren für seine „Beiträge und Entdeckungen zur Ordnung der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen“ mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Das heutige (2020) Verständnis dieser Elementarteilchen wird zusammenfassend dargestellt im sog. “Standardmodell”.

Die vier Grundkräfte

In der Physik kennen wir vier Grundkräfte (die vier fundamentalen Wechselwirkungen):

  1. Gravitation
  2. Elektromagnetismus
  3. Starke Kernkaft  (Starke Wechselwirkung) – Sie bindet die Quarks aneinander und hält so z.B. die drei Quarks eines Protons zusammen; ebenso die drei Quarks eines Neutrons
  4. Schwache Kernkaft  (Schwache Wechselwirkung) – kann ein Up-Quark in ein Down-Quark umwandeln und somit Protonen (uud) und Neutronen (udd) vertauschen und so beispielsweise den Beta-Zerfall (Fermi) bewirken; also Radioaktivität…

Die Gravitation ist insofern anders als die anderen drei Kräfte (Wechselwirkungen) weil:

  • Sie ist sehr viel schwächer als die anderen
  • Die Gravitation lässt sich nicht abschirmen  (in sofern gibt es real keine sog. Inertialsysteme)
  • Die Gravitation ist immer anziehend, nie abstossend

Heutzutage (2021) ordnet man diesen vier Gundkräften sog. Austauschteilchen (das sind virtuelle Teilchen) zu:

Tabelle 1: Grundkräfte und Austauschteilchen

Grundkraft Austauschteilchen Quantentheorie Bemerkung
Gravitation unbekannt
Elektromagnetismus Photon Quantenelektrodynamik
Schwache Kernkraft W-Boson und Z-Boson Quantenflavourdynamik
Starke Kernkraft Gluonen Quantenchromodynamik (siehe auch: Quark-Gluon-Plasma)

Standardmodell der Teilchenphysik

Abbildung 1: Standard Model of Elementary Particles (Wikipedia: Standard_Model_of_Elementary_Particles.svg)

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Symbole für Teilchen

Tabelle 2: Symbole für Teilchen

Teilchen Symbol Bemerkungen
Photon γ Austauschteilchen der Elektromagnetischen Kraft
Gluon g Austauschteilchen der Starken Kernkraft (Farbladungen)
W-Boson W Austauschteilchen der Schwachen Kernkraft
Z-Boson Z Austauschteilchen der Schwachen Kernkraft
Up-Quark u
Down-Quark d
Charme-Quark c
Strange-Quark s
Top-Quark t
Bottom-Quark b
Elektron e–
Myon μ schwereres Elektron
Tauon τ noch schwereres Elektron
Neutrino νe Elektron-Neutrino
μ-Neutrino νμ μ-Neutrino
τ-Neutrino ντ τ-Neutrino

Statt “Kraft” sagen wir auch gerne “Wechselwirkung” – also z.B. “Starke Wechselwirkung”

Anti-Teilchen

Zu jedem Teilchen kann es auch ein Anti-Teilchen geben. Anti-Teilchen werden im Allgemeinen mit einen “Quer-Symbol” versehen, z.B.  u und ū.

Antiteilchen haben die entgegengesetzte elektrische Ladung wie ihr “normales” Teilchen z.B.   e– und e+ (hier benutzen wir das Quer-Symbol nicht).

Zusammengesetzte Teilchen

Danach sind Protonen und Neutronen (sog. Hadronen) sowie Mesonen keine Elementarteilchen mehr, sondern setzen sich aus Quarks zusammen:

Protonen und Neutronen bestehen aus drei Quarks:

  • Proton p: up up down
  • Neutron: n: up down down

Mesonen bestehen aus zwei Quarks:

  • Meson: ein Quark & ein Anti-Quark

Kräfte und Wechselwirkungen

Bei den Elementarteilchen unterscheidet man Fermionen (Materie) und Bosonen (Austauschteilchen für Wechselwirkungen). Die Bosonen stehen in der vierten Spalte des Standardmodells:

  • Photonen (γ) vermitteln die Elektromagnetische Kraft  (Wechselwirkung)
  • Gluonen (g) vermitteln die sog. Starke Kernkraft (Wechselwirkung), die hält beispielsweise die Protonen in einem Atomkern zusammen.
  • W-Bosonen vermitteln die sog. Schwache Kernkraft (Wechselwirkung), die kann beispielsweise aus einem Proton ein Neutron machen und umgekehrt, indem aus einem Up-Quark ein Down-Quark wird bzw. umgekehrt.

Feynman-Diagramme

In Feyman-Diagrammen läuft die Zeit von unten nach oben und der Raum von links nach rechts (wie in einem Raum-Zeit-Diagramm)- allerdings ist dies nicht standardisiert.

Materie-Teilchen werden als Pfeile mit ausgezogener Linie dargestellt.
Wechselwirkungs-Teilchen werden anders dargestellt:

  • Photonen als Welle
  • Gluonen als Schraubfeder
  • Bosonen mit einer gestrichelten Linie

Zerfall bzw. Kollision zweier Objekte bilden einen sog. “Vertex”.

Abbildung 2: Beispiel eines Feynman Diagrams: Electron absorbs a Photon (Wikipedia: Basic_Feynman_diagram_-_electron_absorbs_photon.svg)

Feynman Diagram: Electron absorbs a Photon

Abbildung 3: Beispiel eines Feynman-Diagramms: Beta-Zerfall (Wikipedia: BetaDecay.svg)

Feynman-Diagramm: Betazerfall (Halbwertzeit 10 Minuten)