Teilchenphysik

Die vier Grundkräfte der Natur

Teilchenübersicht

Gravitation

Bei der Gravitation handelt es sich um die schwächste, aber mächtigste Elementarkraft in unserem Universum. Sie bewirkt, dass Gegenstände zu Boden fallen, die Planeten sich auf ihren Bahnen um die Sonne bewegen und sich Galaxien gegenseitig anziehen. Gravitation ist lediglich in Verbindung mit großen Massen, wie beispielsweise unserer Erde, nachweisbar. Die Grundlagen zur Berechnung der Anziehungskräfte zwischen Massen, wurden von Isaak Newton gelegt, ohne diese Formeln wären weder Raumflüge noch die moderne Astronomie denkbar.
Was aber verursacht Gravitation? Hier ist lt. Quantentheorie ein hypothetisches Teilchen, das Graviton denkbar, das sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet; jedoch konnte dieses Teilchen experimentell noch nicht nachgewiesen werden.
Bei einem weiteren hypothetischen Teilchen handelt es sich um das Higgs-Boson, das von dem britischen Physiker Peter Higgs 1964 vorgeschlagen wurde. Das Higgs-Teilchen hat keine elektrische Ladung und den Spin 0 und wäre somit ein Boson, vergleichbar mit einem Photon (Lichtteilchen).

Starke Wechselwirkung

Diese Wechselwirkung ist für den Zusammenhalt der Quarks, Protonen mit Neutronen und die Bahnen der Elektronen um den Atomkern ausschlaggebend. Sie wird deshalb auch als Kernkraft bezeichnet und wirkt lediglich auf einer Entfernung von 2,5x10^-15 m. Für die Übertragung der Starken Wechselwirkung sind sogenannte Gluonen (Austauschteilchen) verantwortlich.
Die Wechselwirkung der Quarks unterscheidet sich allerdings grundlegend von den aus Quarks zusammengesetzten Elementarteilchen. Während die Wirkung mit der Entfernung bei Elementarteilchen abnimmt, erhöht sich diese bei den Quarks, wobei es nicht möglich ist, dass einzelne Quarks frei existieren.

Elektromagnetische Wechselwirkung

Diese Wechselwirkung umfasst alle alltäglichen Phänomene in Verbindung mit Elektrizität. Bereits vor ca. 2500 Jahren erkannte man Zusammenhänge zwischen Elektrizität und Magnetismus. Ohne die Kenntnisse und Berechnungsgrundlagen wäre unsere hochtechnisierte Welt in den Bereichen der Sende- und Empfangstechnik nicht möglich. Übertragen wird diese Kraft vom Photon.

Schwache Wechselwirkung

Hierbei handelt es sich ebenfalls um eine der vier Grundkräfte der Physik. Diese Kraft ist um den Faktor 10⁹ schwächer als die starke Wechselwirkung und wandelt Neutronen in Protonen und ein Elektron in ein Elektron-Antineutrino um. Sie wirkt zwischen allen Quarks und Leptonen und gibt sowohl Energie als auch den Impuls zur Umwandlung an betreffende Teilchen weiter.

Photonen

In der heutigen Physik werden Photonen allgemeinhin auch als Quanten bezeichnet. Quanten entstehen ausschließlich in elektromagnetischen Prozessen jeglicher Art, (z.B. Kernumwandlung von Wasserstoff zu Helium in der Sonne) und decken die gesamte Bandbreite des elektromagnetischen Spektrums, von Gammastrahlung bis Radiowellen, ab (siehe elektromagnetisches Spektrum). Quanten besitzen keine Ruhemasse aber Energie. Da sie den Spin -1 besitzen, zählen Sie ebenfalls zu den Bosonen und wechselwirken mit der Gravitation, das heißt, Quanten werden gravitativ angezogen (siehe Gravitationslinse).
Quanten besitzen zudem eine ganz außergewöhnliche Eigenschaft, die man auch als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Diese Eigenschaft wurde erstmals in einem Experiment des Doppelspaltversuchs nachgewiesen, wodurch sich ergab, dass Quanten unter bestimmten Voraussetzungen im Experiment sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften aufweisen (siehe
Quantenmechanik).
Die Geschwindigkeit, mit der sich Quanten fortbewegen, gilt vor allem auch als Obergrenze für alle Geschwindigkeiten im Universum. Diese wird derzeit mit genau 299.792 Km/Sekunde im Vakuum definiert.

Mathematische Definition siehe hier!

Nukleonen

zu dieser Gruppe zählen Protonen und Neutronen, die zusammen den Atomkern bilden. Mit Ausnahme stabiler und instabiler Isotope und des Wasserstoffatoms, befindet sich immer die gleiche Anzahl an Protonen und Neutronen im Kern.

Hadronen

Zu den "stabilen" Hadronen zählen generell Nukleonen, alle anderen Arten hadronischer Materie zerfallen sehr schnell zu Leptonen oder Gammastrahlung. Sie unterliegen der starken Wechselwirkung und werden je nach ihrer Quarkzusammenstellung in Mesonen und Baryonen unterteilt. Daraus ergibt sich, dass Hadronen sowohl der Klasse der Fermionen als auch Bosonen angehören können.

Quarks

Quarks sind die elementaren Bestandteile der Materie, haben den Spin 1/2 und zählen somit zu den Fermionen. Quarks treten nie einzeln auf, sondern immer in Dreier-Gruppierungen, entweder zu drei Quarks (Barionen), drei Antiquarks (Antibarionen) oder Quark-Antiquark Paare (Mesonen).

Leptonen

Diese Elementarteilchen stellen eine bestimmte Klasse von Fermionen dar, die der schwachen Wechselwirkung unterliegen und im Gegensatz zu den Hadronen keine Gluonen austauschen, da sie nicht aus Quarks aufgebaut sind. Nach heutigem wissenschaflichem Stand, bilden sie zusammen mit den Quarks die Grundbausteine der Materie und wechselwirken, da sie eine elektrische Ladung besitzen, sehr schwach mit der Gravitation.

Fermionen

Zu dieser Gruppe zählen alle Elektronen und Neutrinos mit halbzahligem Spin, generell also Leptonen, aber auch Quarks und damit Teilchen wie Protonen und Neutronen, die aus einer ungeraden Zahl von Quarks aufgebaut sind.

Bosonen

Zu dieser Gruppe zählen Elementarteilchen mit ganzzahligem Spin wie: Gluonen, W- und Z- Bosonen, Photonen und Gravitonen, sowie die meisten Atome und Moleküle.

Mesonen

Ein Meson ist jeweils aus einem Quark und einem Antiquark aufgebaut und unterliegt somit der starken Wechselwirkung. Aufgrund ihrer Zusammensetzung kann man Mesonen nicht als Elementarteilchen bezeichnen.

Spin

Der Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft die sich auf alle Elementarteilchen bezieht. Es handelt sich hierbei um eine bestimmte Drehrichtung, die jedes Elementarteilchen innerhalb der vierdimensionalen Raumzeit vollführt. Aufgrund des Drehverhaltens unterteilt man Elementarteilchen in Bosonen mit ganzzahligem Spin und in Fermionen mit halbzahligem Spin.