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Elementarteilchen

Als begeisterter Seher von Alpha-Centauri werde ich immer wieder mit Namen von irgendwelchen Teilchen konfrontiert. Um für mich selbst ein wenig Ordnung in den Zoo zu bringen, habe ich zur raschen Orientierung die folgende Tabelle zusammengestellt.

Man kann die Teilchen in zwei Gruppen einteilen: die nach Enrico Fermi benannten Fermionen mit halbzahligem Spin, zu denen Baryonen, Leptonen und Quarks gehören, und die nach Satyendranath Bose benannten Bosonen mit ganzzahligem Spin, zu denen Eichbosonen, Mesonen, aber auch Atomkerne mit gerader Teilchenzahl gehören.

Baryonen und Mesonen fasst man zur Gruppe der Hadronen (griech. hadrós dick, stark) zusammen. Gemeinsam ist ihnen, dass sie der starken Wechselwirkung unterworfen sind, die u.a. die Teilchen im Atomkern zusammenhält.

Die Baryonen (griech. barýs schwer) bestehen aus drei Quarks. Zu ihnen gehören die Nukleonen (Atomkernbausteine) Neutron (n, lat. neutrum keines von beiden, weil elektrisch neutral), aus den Quarks udd, und Proton (p⁺, griech. próton erstes) aus den Quarks uud. Hierher gehören auch die instabilen Hyperonen, die mind. ein s-Quark enthalten.

Die Leptonen (griech. leptós dünn, fein, schwach) sind (wie die Quarks und die Eichbosonen) nach heutigem Kenntnisstand wirkliche Elemantarteilchen, d.h. sie bestehen nicht aus noch kleineren Teilchen. Sie unterliegen nicht der starken Wechselwirkung. Hierher gehören die elektrisch negativ geladenen Teilchen Elektron (e^-, griech. élektron Bernstein, an dem zum ersten Mal statische Elektrizität beobachtet wurde), Myon (μ = griech. Buchstabe My) und Tauon (τ = griech. Buchstabe Tau), sowie die elektrisch neutralen und massearmen Neutrinos (ν = griech. Buchstabe Ny, der Name ist eine Verkleinerungsform von Neutron, das ebenfalls elektrisch neutral ist). Deren kennt man momentan drei: Elektron-Neutrino (ν_e), Myon-Neutrino (ν_μ) und Tauon-Neutrino (ν_τ). Elektronen (sie bilden die Hülle des Atomkerns) und Neutrinos sind stabil.

Quarks (nach James Joyce, Finnegans Wake: "Three quarks for Muster Mark!") sind ebenfalls Elementarteilchen, treten in der Natur aber nie allein, sondern nur als Bestandteil von Hadronen auf. Man unterteilt sie nach einer Flavour (Geschmack) genannten Eigenschaft in Up- (u), Down- (d), Strange- (s), Charm- (c), Bottom- (b) und Top-Quarks (t). Ihre elektrische Ladung beträgt +2/3 (u, c, t) oder -1/3 (d, s, b); daher hat p⁺ (uud: +2/3 +2/3 -1/3 = +3/3) eine Ladung von +1 und n (udd: +2/3 -1/3 -1/3 = 0/3) eine von 0. Von der Masse sind u und d leicht, s mittelschwer, c und b schwer, t superschwer.

Mesonen (griech. mésos mitten, mittlerer, weil die Masse der erstmals postulierten Mesonen zwischen der der Elektronen und der Nukleonen, also zwischen Leptonen und Baryonen lag) sind instabile Teilchen, die aus einem Quark und einem Antiquark bestehen und der starken Wechselwirkung unterliegen. Man kennt derzeit über 100 Mesonen, etwa weitere 50 werden vermutet.

Eichbosonen sind Elementarteilchen, die die Grundkräfte vermitteln. Die Gluonen (engl. glue Kleber) sind elektrisch neutral, werden als masselos angenommen und vermitteln die starke Wechselwirkung. Es gibt deren acht, die sich durch eine Farbladung genannte Eigenschaft voneinander unterscheiden. Das Photon (griech. photo- Licht) ist der Teilchenaspekt elektromagnetischer Strahlung (Welle-Teilchen-Dualismus), es ist elektisch neutral, hat keine Ruhemasse, bewegt sich immer mit Lichtgeschwindigkeit und vermittelt die elektromagnetische Wechselwirkung. Die W-Bosonen sind elektrisch geladen (W⁺, W^-), das Z-Boson ist elektrisch neutral (daher auch Z⁰ geschrieben), beide sind relativ schwer und gemeinsam vermitteln sie die schwache Wechselwirkung (die für den radioaktiven Zerfall verantwortlich ist). Das die Gravitation vermittelnde Teilchen Graviton ist nur hypothetisch.

Tachyonen sind hypothetische Teilchen, die sich mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen und daher imaginäre Ruhemasse haben (imaginär im Sinne der imaginären Zahlen, d.h. das Quadrat der Masse ist negativ). Sie sind eine theoretisch mögliche Lösung der Gleichungen der speziellen Relativitätstheorie. Ihre Existenz ist aber mehr als unwahrscheinlich.

In dieser Übersicht sind die Antiteilchen nicht aufgeführt, die elektrisch entgegengesetzt geladenen (bzw. aus solchen zusammengesetzten) Gegenstücke der normalen Teilchen. Beispiele sind Antiquarks (ū, d̄, s̄, c̄, b̄, t̄), das Positron (e⁺, Posi[tives Elek]tron), das Antiproton (p^-, d̄ūū) und das Antineutron (d̄d̄ū). Zu elektrisch neutralen Elementarteilchen wie Photon oder Z⁰-Boson gibt es kein Antiteilchen. Bei Gluonen bin ich mir nicht sicher (sie haben keine elektrische, aber eine Farbladung). Antineutrinos (ν̄_e, ν̄_μ, ν̄_τ) gibt es, sie scheinen sich von den normalen Neutrinos durch ihre Chiralität zu unterscheiden.

Autor: Michael Neuhold (E-Mail-Kontakt)
Letzte Aktualisierung: 22. Mai 2016