Gehört zu: Physik
Siehe auch: Quantenphysik, SVG, Kosmologie, Quantenfeldtheorie, Gravitation, Grundkräfte, Gruppentheorie
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Stand: 12.05.2024
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.
Standardmodell der Teilchenphysik
Die bekannten Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen (Kräfte) beschreibt man im sog. Standardmodell der Teilchenphysik. Aber es scheint darüber hinaus noch weitere Elementarteilchen zu geben: man spricht dann von Neue Physik.
Wie gesagt, dieses “Standardmodell” beschreibt einerseits, welche Elementarteilchen es gibt (siehe Abbildung) und andererseits, welche Kräfte (Wechselwirkungen) zwischen diesen Teilchen wirken. Letzteres kann man beispielsweise mit Feynman-Diagrammen beschreiben und berechnen.
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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
Die vier Grundkräfte
In der Physik kennen wir vier Grundkräfte (die vier fundamentalen Wechselwirkungen). Das Standardmodell der Elementatteilchenphysik erklärt drei der Grundkräfte durch sog. Wechselwirkungen mit sog. Austauschteilchen.
Die vier Grundkräfte sind:
- Gravitation
- Elektromagnetismus
- 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
- 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 drei dieser vier Gundkräfte sog. Austauschteilchen (das sind virtuelle Teilchen) zu und beschreibt die Wechselwirkungen durch Felder,
Diese Austauschteilcjen sollen sog. “virtuelle” Teilchen sein. Damit meint man Teilchen, die in einer Paarerzeugung im Rahmen der Heisenbergschen Zeit-Energie-Unbestimmtheit für ganz kurze Zeit entstehen.
Tabelle 3: Grundkräfte und Austauschteilchen
| Grundkraft | Wechselwirkung zwischen Teilchen | Austauschteilchen | Quantenfeldtheorie | Ladung / Gruppe |
| Gravitation | unbekannt | fehlt zur Zeit (2023) | ||
| Elektromagnetismus | Proton, Neutron, Elektron | Photon | Quantenelektrodynamik | Elektrische Ladung – U(1) |
| Schwache Kernkraft | W-Boson und Z-Boson | Quantenflavourdynamik | xyz – SU(2)L | |
| Starke Kernkraft | Quarks | Gluonen | Quantenchromodynamik | Farbladungen – SU(3) |
Die Gravitation und auch die Elektrostatische Kraft sind sehr anschauliche Gundkräfte (Wechselwirkungen) im Standardmodell der Teilchenphysik.
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.
Die Stärke einer Kraft (Wechselwirkung) hängt ab von einer Art “Ladung“. Zur genauen Beschreibung wird die mathematische Gruppentheorie verwendet,
Feynman-Diagramme
Zur Bescheibung von Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen hat Richard Feynman eine spzezielle Diagramm-Art entwickelt.
Im Feynman-Diagram 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)