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Struktur der Elementar-Teilchen

In der Physik bezeichnet man mit einem Elementar-Teilchen einen Körper, der klein gegenüber dem Maßstab des betrachteten Systems ist. Die innere Struktur eines einzelnen Teilchens spielt dabei keine Rolle, sondern lediglich sein Verhalten als Ganzes gegenüber anderen Teilchen oder äußeren Einflüssen. Insofern sind Teilchen ideale Objekte. Oft beschränkt man sich auch nur auf bestimmte Eigenschaften des realen physikalischen Objekts, wie die Masse oder die elektrische Ladung, um die Wechselwirkung zu studieren, die mit dieser Eigenschaft zusammen hängt. Das Wort Teilchen wird auch als Kurzwort für Elementarteilchen – die Bausteine der Materie – benutzt.

Der Teilchenbegriff ist in einer ganzen Reihe von physikalischen Zusammenhängen gebräuchlich:

1. Bei Experimenten mit Sand bezeichnet man ein Sandkorn als Teilchen.
2. In der klassischen Mechanik bezeichnet man mit Teilchen einen Massepunkt.
3. In der Quantenmechanik werden die Energiequanten als Teilchen aufgefasst (Phononen in elektromagnetischen Wellen, Phononen bei Gitterschwingungen etwa in Kristallen).
4. In Festkörpern, Flüssigkeiten oder Gasen werden Atome und Moleküle als Teilchen bezeichnet.
5. Atomphysik und Kernphysik betrachten die einzelnen Bestandteile des Atoms als Teilchen.
6. Die Teilchenphysik selbst setzt sich mit den kleinsten bekannten Objekten, den Elementarteilchen auseinander.
7. In einem Teilchenbeschleuniger werden geladene Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Bei den beschleunigten Teilchen handelt es sich in der Regel um Elektronen, Positronen, Protonen, Atomkerne oder Ionen.

Je nach Betrachtungsweise kann also ein und dasselbe physikalische Objekt als Teilchen oder als System von Teilchen angesehen werden.

Elementarteilchen sind immer entweder Boson oder Fermion.

Atome bestehen aus folgenden Elementarteilchen: Protonen, Neutronen und Elektronen.

Die 12 Elementarteilchen

Die gesamte sichtbare Materie ist aus zwölf Elementarbausteinen aufgebaut:

Die zwölf Elementarteilchen wurden nach dem italienischen Physiker Enrico Fermi benannt und heißen deswegen Fermionen. Sie sind in zwei Sechsergruppen unterteilt:

• sechs leichte Teilchen: die Leptonen (von dem griechischen Wort für "das Leichte" = lepton)
• sechs schwere Teilchen: die Quarks (ein Kunstwort nach einem Wesen aus James Joyces Roman "Finnegans Wake")

Beide Sechsergruppen wiederum bestehen wiederum aus je drei Zweiergrupprn:

• o drei Leptonen (Elektron, Myon und Tauon) und ihre drei zugehörigen Neutrinopärchen
• o drei Quarkspärchen: up und down, charm und strange, top und bottom

Dazu hat jedes Fermion noch ein ihm zugehöriges Antiteilchen, sein absolutes "Spiegelbild" also nur "verkeht" herum.

In Leonardo da Vincis Gemälde Abendmahl im Refektorium von Santa Maria delle Grazie sitzen sechs Jünger links und sechs rechts von Jesus - dazu ist jede Gruppe noch einmal in Dreiergruppen arrangiert.

In unserer Analogie sitzen (von uns aus gesehen) links die Leptonen, rechts die Quarks.

Die sechs Leptonen
Das Elektron: ist sicher das bekannteste Elementarteilchen. Seine Lebensdauer ist unendlich. Es ist zwar ein quantenmechanisches Objekt, kommt aber dem am nächsten, was man in der Umgangssprache unter einem Teilchen versteht. Es ist kugelförmig und trägt eine negative Elementarladung. Seine Masse ist sehr klein: Man braucht über 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 Elektronen, um auf ein einziges Kilogramm Masse zu kommen.

Das Myon (oder My-Lepton): ist rund 207-mal schwerer als das Elektron. Es lebt nur knapp 2 Mikro (= Millionstel) Sekunden. Entdeckt wurde es 1937 von den amerikanischen Physikern Carl David Anderson und Seth Henry Neddermeyer. Das Myon findet sich in der so genannten Höhenstrahlung.

Das Tauon (oder Tau-Lepton): ist rund 3484-mal schwerer als das Elektron und seine Lebensdauer ist noch einmal um ein vielfaches kürzer als die des Myons. Es wurde von einer Forschergruppe entdeckt unter der Leitung des amerikanischen Physikers Martin Lewis Perl am SPEAR in Stanford.

Alle diese drei Leptonen haben ihre zugehörigen
Neutrinos

• das Elektron-Neutrino
• das Myon-Neutrino
• das Tauon-Neutrino

Sie sind nahezu masselos und wechselwirken fast gar nicht mit Materie.

Die sechs Quarks
Ein Quark kommt niemals allein vor; es geht immer Bindungen ein: Zu zweit heißen sie dann "Mesonen", zu dritt nennt man sie "Baryonen". Verbindungen mehrerer Quarks bezeichnet man als Hadronen.

up-Quark und
down-Quark
Die Masse des up-Quarks ist etwa sechsmal größer als die des Elektrons, die des down-Quarks etwa 14-mal größer. Das down-Quark ist Teil sowohl des Protons wie auch des Neutrons. Durch Beta-Zerfall wird es in ein up-Quark umgewandelt.

charm-Quark
Das charm-Quark wurde in den siebziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts entdeckt. Verbindungen mit charm-Quarks sind relativ langlebig, denn charm-Quarks können nur über die schwache Wechselwirkung in strange-Quarks zerfallen

strange-Quark
Schon früh - in den 1950er Jahren - wurde das strange-Quark entdeckt. Seltsam fanden die Wissenschaftler dieses Elementarteilchen und nannten es deshalb auch "strange" - seltsam. Das strange-Quark gehört zur gleichen Teilchenfamilie wie das Myon

bottom-Quark
Die Teilchenphysiker entdeckten das bottom-Quark in den siebziger Jahren kurz nach dem charm-Quark und dem Tauon. Es hat eine große Masse und eine - für ein Elementarteilchen - lange Lebensdauer.

top-Quark
Lange vor seiner Entdeckung, war die Existenz des top-Quarks schon angenommen worden. Trotzdem ist es das zuletzt nachgewiesene Quark: Erst 1995 wurde es aufgespürt. Das top-Quark ist das schwerste Elementarteilchen: Seine Masse entspricht beinahe der eines Gold-Kerns.

Die Bosonen
Vier verschiedene Kräfte kennt die moderne Physik. Auf sie lässt sich die Vielfalt aller Wechselwirkungen zurückführen. Sie werden von vier weiteren Teilchen verursacht: Teilchenphysiker machen es sich gerne leicht: Anstatt die Vielfalt unserer Welt mühevoll in allen Einzelheiten aufzulisten, führen sie sie einfach auf vier Kräfte zurück:

• Graviton (noch nicht nnachgewiesen): Die Schwerkraft sorgt dafür, dass wir mit den Füßen auf dem Boden bleiben.
• Photon: Die elektromagnetische Kraft zeigt sich unter anderem für die Sparten Elektrizität, Magnetismus, Mobilfunk und Licht verantwortlich.
• Gluon: Die Starke Kraft hält Atomkerne zusammen.
• W-Plus, W-Minus und Z-Null: Und die Schwache Kraft lässt sie auseinander fallen.

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