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Teilchenphysik: Das Standardmodell verstehen
Teilchenphysik untersucht die kleinsten bekannten Bausteine der Materie und die Regeln, nach denen sie wechselwirken. Das Standardmodell ordnet Quarks, Leptonen und Botenteilchen; die Gravitation gehört nicht zu diesem Modell.
Auf dieser Seite lernst du, Teilchenarten zu unterscheiden, ein Proton im Quarkmodell zu erklären und einfache Reaktionen mit Erhaltungssätzen zu prüfen.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Vom Atom zum Elementarteilchen
Ein Atom besteht aus einer Elektronenhülle und einem Kern. Der Kern enthält Protonen und Neutronen. Protonen und Neutronen bestehen wiederum aus Quarks. Elektronen und Quarks besitzen nach heutigem Messstand keine nachgewiesene innere Struktur.
Elementarteilchen
Ein Elementarteilchen ist nach gegenwärtigem Erkenntnisstand nicht aus kleineren Teilchen zusammengesetzt. „Elementar“ bedeutet nicht, dass eine innere Struktur für alle Zeiten ausgeschlossen ist.
Protonen und Neutronen heißen Hadronen. Sie sind zusammengesetzt und deshalb keine Elementarteilchen. Kugelbilder von Elementarteilchen sind Anschauungsmodelle, keine gemessenen Formen.
Beim Sauerstoffatom ist das Elektron elementar. Ein Proton im Kern ist dagegen zusammengesetzt: Sein Valenzquarkinhalt lautet $uud$.
Materieteilchen in drei Generationen
Die elementaren Materieteilchen sind Fermionen. Das Standardmodell enthält sechs Quarks und sechs Leptonen. Sie bilden drei Generationen.
| Generation | Quarks | Leptonen |
|---|---|---|
| 1 | Up, Down | Elektron, Elektron-Neutrino |
| 2 | Charm, Strange | Myon, Myon-Neutrino |
| 3 | Top, Bottom | Tau, Tau-Neutrino |
Teilchen an derselben Stelle verschiedener Generationen haben ähnliche Ladungseigenschaften, aber unterschiedliche Massen. Myon, Tau und die Quarks der zweiten und dritten Generation sind instabil. Neutrinos verschiedener Generationen können sich durch Neutrinooszillationen ineinander umwandeln. Gewöhnliche sichtbare Materie besteht vor allem aus Up-Quarks, Down-Quarks und Elektronen.
Zu jedem Materieteilchen gibt es ein Antiteilchen mit gleicher Masse und entgegengesetzten Ladungen. Das Positron ist zum Beispiel das Antiteilchen des Elektrons.
Quarks und Leptonen sind elementare Materieteilchen. Protonen und Neutronen sind aus Quarks zusammengesetzte Hadronen.
Wechselwirkungen und ihre Botenteilchen
„Wechselwirkung“ meint mehr als Anziehung oder Abstoßung. Teilchen können dabei auch erzeugt, vernichtet oder in andere Teilchen umgewandelt werden.
| Wechselwirkung | Wirkt im Standardmodell auf | Botenteilchen |
|---|---|---|
| elektromagnetisch | elektrisch geladene Teilchen | Photon |
| stark | Teilchen mit Farbladung, insbesondere Quarks | acht Gluonen |
| schwach | alle Materieteilchen | $W^+$-, $W^-$- und Z-Boson |
Das Photon und die Gluonen sind masselos. Die W- und Z-Bosonen sind sehr schwer; die schwache Wechselwirkung hat deshalb nur eine sehr kurze Reichweite. Die starke Wechselwirkung bindet Quarks. Beim Versuch, Quarks weit zu trennen, entsteht schließlich genug Energie für neue Quark-Antiquark-Paare. Isolierte Quarks werden daher nicht beobachtet; dieses Verhalten heißt Confinement.
Die Gravitation ist eine vierte fundamentale Wechselwirkung, aber nicht Bestandteil des Standardmodells. Ein hypothetisches Graviton ist nicht nachgewiesen.
Botenteilchen werden an einem Wechselwirkungsort erzeugt oder aufgenommen. Das Ballwurf-Bild kann einen Impulsübertrag veranschaulichen, beschreibt aber keine vollständige Quantenwechselwirkung.
Das Proton als Quarksystem
Im Schulmodell besitzt ein Proton die drei Valenzquarks $uud$: zwei Up-Quarks und ein Down-Quark. Ihre elektrischen Ladungszahlen sind
- Up-Quark: $+\frac{2}{3}$,
- Down-Quark: $-\frac{1}{3}$.
Die Ladungszahl des Protons ergibt sich durch Addition:
$$2\cdot\frac{2}{3}-\frac{1}{3}=1$$
Das Proton hat also die elektrische Ladung $+1$ in Einheiten der Elementarladung.
Valenzquarks
Valenzquarks geben die kennzeichnende Quarkzusammensetzung eines Hadrons an. Ein vollständiges Proton enthält zusätzlich Gluonen und kurzzeitig entstehende Quark-Antiquark-Paare, die Seequarks.
Die Kurzschreibweise $uud$ ist damit nützlich, aber nicht die vollständige Beschreibung des inneren Protons. Gluonen binden die Quarks durch die starke Wechselwirkung. Ihre Feldenergie trägt außerdem wesentlich zur Masse des Protons bei.
Ein Neutron hat im Schulmodell den Valenzquarkinhalt $udd$. Seine elektrische Ladungszahl ist
$$\frac{2}{3}-\frac{1}{3}-\frac{1}{3}=0$$
Das Neutron ist elektrisch neutral, obwohl seine Quarks elektrische Ladungen besitzen.
Reaktionen mit Erhaltungssätzen prüfen
Bei jedem erlaubten Prozess müssen Energie, Impuls und elektrische Ladung erhalten sein. Je nach Wechselwirkung gelten weitere Erhaltungsregeln. Eine ausgeglichene elektrische Ladung allein beweist deshalb noch nicht, dass ein Prozess stattfinden kann.
Beim $\beta^-$-Zerfall wird in einem Neutron ein Down-Quark in ein Up-Quark umgewandelt:
$$d\rightarrow u+W^-$$
Die elektrische Ladung ist erhalten:
$$-\frac{1}{3}=\frac{2}{3}-1$$
Das virtuelle $W^-$ zerfällt anschließend:
$$W^-\rightarrow e^-+\bar{\nu}_e$$
Auch hier stimmt die elektrische Bilanz: $-1=-1+0$. Das Antineutrino ist elektrisch neutral. Für den vollständigen Prozess gilt:
$$n\rightarrow p+e^-+\bar{\nu}_e$$
Prüfe die Paarvernichtung $e^-+e^+\rightarrow\gamma+\gamma$.
Vorher: $-1+1=0$. Nachher: $0+0=0$. Die elektrische Ladung ist erhalten. Zusätzlich müssen Energie und Impuls passen; deshalb entstehen in diesem Prozess zwei Photonen statt nur eines.
Prüfe Reaktionen in dieser Reihenfolge: Teilchen identifizieren, Ladungen vor und nach der Reaktion addieren, dann Energie und Impuls sowie weitere passende Erhaltungsgrößen betrachten.
Das Higgs-Feld und offene Fragen
Das Higgs-Boson ist eine Anregung des Higgs-Feldes. Sein Nachweis am LHC im Jahr 2012 bestätigte einen zentralen Teil des Standardmodells. Durch Kopplung an das Higgs-Feld erhalten W- und Z-Bosonen sowie viele elementare Materieteilchen Masse.
Dabei ist eine wichtige Einschränkung nötig: Der größte Teil der Masse von Protonen und Neutronen stammt aus der Energie der starken Wechselwirkung in ihrem Inneren, nicht einfach aus der Summe der Higgs-bedingten Quarkmassen.
Das Standardmodell ist sehr erfolgreich, aber nicht vollständig. Es erklärt unter anderem keine Quantentheorie der Gravitation, nicht die Natur der Dunklen Materie und nicht den beobachteten Überschuss von Materie gegenüber Antimaterie. Vorgeschlagene Erweiterungen sind Forschungsansätze, keine gesicherten Bestandteile des Standardmodells.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Teilchenphysik
- Materieteilchen
- Quarks
- Leptonen
- Zusammengesetzte Materie
- Proton als $uud$
- Neutron als $udd$
- Wechselwirkungen
- elektromagnetisch: Photon
- stark: Gluonen
- schwach: W und Z
- Prüfregeln
- elektrische Ladung erhalten
- Energie und Impuls erhalten
- Grenzen
- Gravitation nicht enthalten
- Dunkle Materie ungeklärt
- Materieteilchen