Elementarteilchen

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Vorbemerkung

Seit wir denken können, sammeln wir Menschen Wissen über unsere Umwelt und wissen trotzdem kaum, woraus wir überhaupt bestehen. Fortschritte werden erst seit kurzem in den wichtigen Dimensionen erzielt. Ein Mann, der sich viel damit beschäftigte, war Stephen Hawking. Anschaulich stellt er die Ergebnisse seiner Arbeit in seinem Buch EINE KURZE GESCHICHTE DER ZEIT dar, und bringt sie in Zusammenhang mit seinen Forschungen über das Universum. In Form einer Mitarbeit an einer Homepage versuche ich nun das Kapitel ELEMENTARTEILCHEN UND NATURKRÄFTE aus diesem Buch darzustellen.

Atomaufbau

Nach langem Streit, ob es nun Atome gebe, lieferte Einstein im Jahre 1905 einen wichtigen Beweis für die Existenz selbiger. Ungefähr zur gleichen Zeit wies J.J. Thomson mit einer Art Bildroehre das Elektron nach. Es war viel leichter als das leichteste bekannte Atom, das Wassertoffatom. So kam man darauf: Atome koennten einen inneren Aufbau haben.

Ernest Rutherford wies dies 1911 endgueltig nach, als er eine sehr duenne Goldfolie mit Alpha-Teilchen beschoss. Wie erwartet gelangten zwar die meisten fast unabgelenkt durch die Folie, doch einige wurden zum Teil erheblich abgelenkt. Rutherford konnte so feststellen, dass Atome im wesentlichen "leer" sind und in ihrem Kern die positive Ladung "konzentriert" ist. Mit Hilfe einiger physikalischer Grundgesetze liess sich sogar der Mindestdurchmesser dieses "Kerns" bestimmen. Rutherford konnte so errechnen, dass der Durchmesser der Goldatomkerne kleiner als 3*10 ^-14m sei.

Seine Methode war richtungsweisend fuer die moderne Elementarteilchenforschung, weil sie mit der Streuung von Teilchen arbeitete: dies Streumethode funktioniert noch in solch kleinen Bereichen wie denen des Atoms. 1932 entdeckte James Chadwick, dass ausser den Teilchen mit positiver Ladung, Protonen genannt, noch solche ohne Ladung im Kern des Atoms sind, naemlich die Neutronen. Noch bis vor vierzig Jahren ungefaehr glaubte man, die Elementarteilchen seien damit gefunden.

Quarks

Es gibt sechs verschiedene Quarkarten beziehungsweise Flavors: Up, Down, Strange (in den 60ern entdeckt), Charm(1974), Bottom(1975) und Top(1995).
Jedes Quark kommt in drei Farbladungen vor: Rot, Gruen und Blau.

Was hat es nun damit auf sich? Wir bewegen uns in sehr kleinen Bereichen bei unseren Betrachtungen: Dem Reich der "Quantenphysik". Hier sollte man als Laie folgendes wissen:

Ein Teilchen laesst sich nicht gleichzeitig in Ort und Geschwindigkeit genau festlegen. Die Unschaerfe des Ortes multipliziert mit der Unschaerfe der Geschwindigkeit ergibt aber doch einen Wert h, der es doch irgendwie beschreibbar macht. Dies nennt man Unschaerferelation.

Innerhalb dieser Grenzen koennen zwei gleichartige Teilchen nicht nebeneinander existieren, sie schliessen sich aus. Dieses Prinzip nennt sich nach seinen Entdecker, dem oesterreichischem Physiker Wolfgang Pauli, Paulisches Ausschliessungsprinzip".

Es gibt aber ein Elementarteilchen, genannt + +, das aus drei - scheinbar gleichartigen - Up-Quarks besteht. Wie geht das? Zur "Rettung" des Paulischen Ausschliessungsprinzips wurden die "Farben der Quarks" eingefuehrt. Das + + besteht somit aus drei verschiedenen Up-Quarks in den "Farben" rot, gruen und blau.

Wie bei den Farben in unserem Alltag neutralisieren sie sich - auf weite Entfernungen - und es sieht fuer ein Nachbarteilchen so aus als seien alle Quarks weiss. Trotzdem haben die Quarks unterschiedliche Farben, was sehr wichtig ist, denn jede Farbe zieht die beiden anderen Farben an, nicht aber die "Farbe" weiss. In einem Atomkern kommen sich die Nukleonen so nahe, dass sie bei ihren Nachbarteilchen die Farbladungen der Quarks erkennen können und so die Nachbarteilchen anziehen: dies stellt die Kernkraft dar, die den Atomkern zusammenhält und nur eine sehr kurze Reichweite hat.
Es handelt sich also fast wie bei der elektrischen Anziehung um eine Art Ladung, da jede Farbe die beiden andern - wie in einem elektrischen Feld die positiven die negativen Ladungen - anzieht und daher der Begriff "Farbladungen".

Als Beispiel einmal der Aufbau eines Protons: Es besteht aus einem Down -Quark und zwei Up-Quarks. Eins in rot, eins in blau, eins in gruen. Das Down-Quark hat - 1/3 einer Elementarladung, die Up-Quarks je +2/3 einer Elementarladung. So folgt , dass das Proton die Ladung + e hat, also einfach positiv geladen ist.

Eine Uebersicht ueber die Quarks und ihre Masse

Quarks
Name	Masse	Ladung		Name	Masse	Ladung
u (Up)	0,31 GeV	+2/3 e		d (Down)	0,31GeV	-1/3 e
c (Charm)	1,5 Gev	+2/3 e		s (Strange)	0,5GeV	-1/3 e
t (Top)	~40GeV	+2/3 e		b (Bottom)	4,9GeV	-1/3 e

Ausserdem gibt es zu jedem Teilchen noch ein Antiteilchen, zum Beispiel Antiquarks, Antineutronen, Antielektronen......

Leptonen

Eine zweite Elementarteilchengruppe ist die der Leptonen

Leptonen
Name	Masse	Ladung		Name	Masse	Ladung
Elektron	0,005 GeV	-1 e		Elektronneutrino	~0	0
Myon	0,1 GeV	-1 e		Myonneutrino	~0	0
Tau	1.78 GeV	-1 e		Tauneutrino	~0	0

Spinn

In meinen Ausfuehrungen will ich jetzt auf eine Eigenschaft der Elementarteilchen, genannt Spinn zurueckkommen. Da - wie schon erlaeutert - alles in der Groessenordnung der gerade behandelten Teilchen sowohl Wellen- wie auch Teilcheneigenschaften hat, ist noch eine Teilcheneigenschaft - genannt Spinn - wichtig: Er teilt uns mit, nach wie vielen Bruchteilen einer "Umdrehung" ein Teilchen wieder gleich aussieht.

• Ein Kreis hat den Spinn 0,
• der Pfeil => den Spinn 1,
• der Doppelpfeil <=> den Spinn 2 und
• ein gleichseitiges Dreieck den Spinn 3.

• Fuer diese Teilchen mit halbzahligem Spinn gilt auch das Auschliessungsprinzip. Aus ihnen ist die Materie aufgebaut.
• Die Teilchen mit dem Spinn 0,1,2 sind kraeftetragende Teilchen. Fuer sie gilt das Ausschliessungsprinzip nicht. Sie koennen also in beliebiger Dichte vorkommen und somit grosse Kraefte hervorrufen.
  • Wenn die kraeftetragenden Teilchen eine grosse Masse haben, wirken sie nicht auf grosse Entfernungen.
  • Wenn sie keine Masse haben, koennen sie jedoch ueber grosse Entfernungen wirken.
  • Die zwischen Materieteilchen ausgetauschten Kraefteteilchen heissen virtuelle Teilchen, weil sie nicht von Teilchendetektoren registriert werden koennen. Wir wissen nur, dass es sie gibt, weil sie Kraefte auf die Materie ausueben.

Vier Wechselwirkungen

Kraeftetragende Teilchen mit ihren Wechselwirkungen lassen sich in vier Gruppen unterteilen.

1. Die erste ist die Gravitation.Jedes Teilchen, dass eine Masse hat wird von ihr beeinflusst, und sie wirkt ueber grosse Entfernungen. Sie ist im Vergleich mit den anderen drei Elementarkraeften die bei weitem schwaechste, summiert sich aber auf grosse Entfernungen wegen ihrer grossen Reichweite zu einer betraechtlichen Groesse. Sie laesst zumm Beispiel Sterne umeinander kreisen, da sich von jedem Atom die Gravitationskraefte addieren.
   Diese Kraefte wirken nur anziehend.
   Das fuer die Gravitation verantwortliche Teilchen heisst Graviton.

   Seine Wirkungsweise laesst sich wie auch bei den drei Wechselwirkungen etwa so erklaeren: Ein Teilchen mit einer Masse m sendet ein Graviton mit Lichtgeschwindigkeit aus und wird dabei durch den Rueckstoss selber bewegt. Anschaulich ist das etwa wie bei einem Kind, das seinem/-er Spielkameraden/-in einen Medizinball zuwirft. Zuerst wird der Werfer zurueck geworfen und anschliessend - beim Fangen - das zweite Kind. So werden beide durch den Wurf voneinander wegbewegt. Bei Teilchen geht das auch andersherum, so ,dass sich beide gegenseitig anziehen. Trifft das Graviton nun auf ein anderes Teilchen, so wird es aufgenommen. Dadurch veraendert dann auch das andere Teilchen seine Flugbahn. So wird die Anziehung zwischen den Himmelskoerpern durch den Austausch virtueller Teilchen hervorgerufen.

2. Die zweite Kraft ist die Elektromagnetische Kraft. Sie wirkt nur auf elektrisch geladene Teilchen. Sie ist ca.10⁴² mal staerker als die Gravitation.
   Ausserdem kann sie sowohl abstossend als auch anziehend wirken. Zwischen gleichartigen Ladungen stoesst sie ab, zwischen verschiedenartigen zieht sie an. Normalerweise merken wir aber von der elektrischen Kraft nicht viel, denn inden meisten Koerpern gibt es etwa gleich viele positive wie negative Ladungen, so dass sich die Kraefte gegenseitig aufheben. Doch im Bereich der kleinsten Bausteine unserer Natur, wo die Ladungen nicht ausgeglichen sind, spielt sie eine grosse Rolle. Sie laesst zum Beispiel Elektronen innerhalb bestimmter Wahrscheinlichkeitsgrenzen um den Kern kreisen.
   Sie wird durch virtuelle masselose Teilchen, Photonen genannt, getragen.
   Doch wenn ein Elektron von einer auf eine andere Umlaufbahn im Atom springt, kann ein reales Photon emittiert werden, also eine Lichtwelle ausgesandt werden. Ein Laser macht sich Beispielsweise von diesem Quanteneffekt Gebrauch.

3. Die dritte Kraft heisst schwache Kernkraft und ein genaueres Bild von ihr kann sich die Wissenschaft erst machen, seit 1967 Abdus Salam und Steven Weinberg eine Theorie vorschlugen, die diese Kraft mit der Elektromagnetischen Kraft vereinigte. Diese Theorie sagt aus, dass es neben dem Photon noch drei weitere Teilchen mit dem dem Spinn 1 gibt, die Traeger der schwachen Wechselwirkung sind und die Masse 100 GeV haben.
   Diese Teilchen heissen:W+ (W plus),W- (W minus) und Z0 (Z null).
   Laut der vorgeschlagenen Theorie handelt es sich immer um denselben Typ von Teilchen (auch beim Proton), der sich, wenn ihm eine hoehere Energie als 100 GeV zugefuehrt wird, immer gleich verhaelt. Nur bei Energien darunter verhalten sie sich unterschiedlich und nehmen einen der vier Zustaende an.

4. Die vierte Kategorie ist die starke Kernkraft. Sie haelt zum Beispiel sowohl die Quarks im Proton oder Neutron zusammen, als auch diese im Atomkern. Sie muss also staerker sein als die Elektrische Kraft, durch die sich gleichartige Ladungen abstossen.
   Sie wird von Teilchen getragen, die vermutlich auch den Spinn 1 haben, den Gluonen (engl. glue: Kleber). Sie sind die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung, sie aehneln den virtuellen Photonen.
   Sie haben die Eigenschaft Teilchen so zu binden, dass ihre "Farben" zusammen weiss ergeben. Das muessen nicht nur Rot, Blau und Gruen sein, es geht auch mit Rot und Antirot. Sie koennen auch nicht alleine vorkommen, da sie selbst auch eine Farbe haben und so und dadurch schwer zu isolieren sind. Sie machten es so schwer Quarks zu betrachten, dass viele Wissenschaftler zunaechst nicht an sie glaubten.

Vereinheitlichung

Nachdem es gelang die elektromagnetische- mit der schwachen Kernkraft zusammenzuschliessen begannen sich viele Physiker damit zu beschaeftigen alle drei Kraefte(ausser der Gravitation) zu einer Grossen Vereinheitlichten Theorie (GUT, Grand Unified Theorie) zusammenzufassen. Sie besagt, das sich alle bei einer sehr hohen Energie als Aspekte einer einzigen Kraft erweisen koennten, da die starke Kernkraft bei hohen Energien ab- und die schwache zunimmt. Um diese Theorie zu bestaetigen, braeuchte man aber Teilchenbeschleuniger so gross wie unser Sonnensystem. Sie haette aber auch die Folge, dass man in unseren Bereichen einen spontanen Protonenzerfall beobachten koennte, was bisher noch nicht gelungen ist. Dem umgekehrten Prozess ist es aber mit grossser Sicherheit zuzuschreiben, dass es mehr Materie als Antimaterie gibt und dass wir somit existieren können. Waere das Verhaeltnis naemlich gleich, wuerden beide, beim Zusammenkommen als Lichtblitze enden. Mit grosser Sicherheit wird heute angenommen, dass das Universum nur aus Materie und nicht noch aus Antimaterie besteht. Die bisher aufgestellten GUT`s liefern eine Erklaerung hierfuer.

Zwar war im fruehen Universum wahrscheinlich die Zahl von Quarks und Antiquarks gleich und die vorhandene Energie war wahrscheinlich so hoch, dass sich staendig Teilchen in Antiteilchen umwandelten, doch die physikalischen Gesetze sind, wie sich ab 1956 immer mehr herausstellte, fuer Teilchen und Antiteilchen nicht gleich, so dass daraus folgt, dass sich im fruehen Universum mehr Teilchen als Antiteilchen gebildet haben, aus denen dann unser jetzt bekanntes Universum entstanden ist.

In den folgenen Kapiteln des Buches geht es dann um die Entwicklung des Universums und wie dieses mit den Elementarteilchen zusammenhaengt. Ich hoffe ich habe dieses Kapitel verständlich dargestellt und den Lesern sowie meinem wirklich coolen Physiklehrer Freude beim Lesen bereitet.

Autor: Axel Horn

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