Interessantes zu Theoretischer Physik

Elementerteilchen, Standardmodell

Das Standardmodell der Elementarteilchen










Im Standardmodell ist alle Materie aus drei Arten von Elementarteilchen zusammengesetzt:

Leptonen, Quarks und Austauschteilchen


Leptonen charakterisieren sich durch über Ladung und Leptonenzahl. Zu jedem Lepton gibt es ein Anti-Lepton mit den jeweils umgekehrten Quantenzahlen. Somit gibt es 12 Leptonen.

Note: Unter den Quantenzahlen versteht man alle quantisierten Eigenschaften (Freiheitsgrade) eines Teilchens oder eines quantisierten Ein- oder Mehrteilchensystems.

Es gibt 6 Sorten von Quarks, deren jede in 3 unterschiedlichen "Farben" vorkommen kann sowie zu jedem Quark q ein Antiquark q mit jeweils umgekehrter Ladung und Strangeness — insgesamt also 36 Quarks.

Die Massen der Leptonen und Quarks können über den Higgs-Mechanismus erklärt und jetzt — da das Higgs-Boson gefunden und somit die relevanten Kopplungskonstanten bekannt sind — auch errechnet werden.

Neben den 36 Quarks und 12 Leptonen gibt es noch die 12 Austauschteilchen (8 Gluonen, das Z-Boson, die beiden W-Bosonen).

Somit kennt das Standardmodell insgesamt:

60 Elementarteilchen + wenigstens 1 Higgsboson


Wie sich daraus der Mitte des 20. Jahrhunderts entdeckte Teilchenzoo von etwa 300 Mitgliedern ergibt, wird beschrieben auf Seite Mesonen, Hadronen und starke Kernkraft.

Genau genommen muss man sich den Teilchenzoo aber noch umfangreicher, ja sogar unendlich um­fang­reich vorstellen: Es existieren nämlich beliebig kurzlebige Teilchen (sog. Resonanzen), die dann aber — wie Heisenbergs Unbestimmheitsrelation zeigt — auch entsprechend energiereich sind.

Letztlich ist jedes elementare Teilchen nichts anderes als eine durch Quantenfluktuation entstande An­regung des Vakuums: Störung eines Energiefeldes, das zu Null zu werden trachtet, der nicht abschalt­baren Quantenfluktuation (Quelle allen Lebens) wegen diesen Zustand aber nie erreichen kann.

Dirac verglich den Zustand des Vakuums mit der Oberfläche eines Sees, die niemals zur Ruhe kommen kann. Nur theoretisch existiert ein Zustand ohne Höhen (= Materie = Portionen positiver Energie) und ohne Tiefen (= Antimaterie = Portionen negativer Energie).

Nebenbei: Unter den sog. Austauschteilchen muss man sich Energieportionen vorstellen, die von ande­ren Elementarteilchen — eben von denen, die man Materie nennt — spontan abgegeben bzw. aufge­nommen werden. Photonen (= Lichtwellen) sind die weitaus wichtigsten dieser Austauschteilchen.


Das Gegenteil von Materie wäre Strahlung. Beides sind Formen von Energie.

Masse und Materie sind  n i c h t  dasselbe!

Quarks sind die Elementarteilchen, aus denen sich Hadronen zusammensetzen, d.h. alle subatomaren Teil­chen, die der starken Wechselwirkung unterworfen sind . Die bekanntesten Hadronen sind die Nukleonen (Neutronen und Protonen), die Bestandteil der Atomkerne sind. Gluonen stellen starke Wechselwirkung dar — eben die Energieportionen, die Quarks untereinander auszutauschen in der Lage sind.

Quarks tragen neben ihrer elektrischen Ladung auch noch eine sogenannte Farbladung, die die Werte rot, grün und blau annehmen kann. Verbindungen aus Quarks sind nur stabil, wenn die Überlagerung ihrer einzelnen Farbwerte "weiß" ergibt. Bisher hat man Quarks niemals einzeln, sondern stets nur in eben die­sen 3-er Gruppen vorgefunden oder gruppiert zu Mesonen (jedes Meson besteht aus einem Quark und einem Antiquark).

Interessant ist: Teilchen, die Farbladung tragen — Quarks und Gluonen — treten niemals einzeln, d.h. in ungebundenem Zustand auf (man spricht von Confinement, zu deutsch: Gefangenschaft).


Im Laufe der Zeit haben wir immer kleinere Bausteine unserer Materie gefunden. Zuerst waren es die Atome, dann entdeckte man die Neutronen, Protonen und Elektronen. Heute sind wir bei den Quarks angelangt. Wird es je ein Ende geben? Vielleicht Ja: Die sogenannte Stringtheorie nämlich behaupet, dass die kleinstmöglichen Bausteine aller Materie ungeheuer winzige, schwingende Fäden seien (Strings genannt). Die Charakteristik der Schwingung, in der so ein String sich jeweils befindet, mache ihn zu diesem oder jenen Materieteilchen.



Standardmodell der Elementarteilchen (beste Darstellung)

aus Pedro Waloschek: Besuch im Teilchenzoo




Stabil und unteilbar sind nur die kleinsten Elementarteilchen




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