Elementarteilchen, die kleinsten und fundamentalen »Bausteine« der Materie; das sind die aufgrund universeller physikalischer Eigenschaften eindeutig identifizierbaren materiellen Objekte, die mit den gegenwärtig verfügbaren experimentellen Mitteln und Energien der sie erforschenden Hochenergiephysik nicht weiter zerlegbar sind.

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Allgemeiner Überblick über die Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen

Zu Beginn der Entwicklung der Atom- und Elementarteilchenphysik nahm man bis in die 1930er-Jahre an, dass es nur wenige »wirkliche« Elementarteilchen als Bausteine der Atome und damit der gesamten (gewöhnlichen) Materie gäbe, und zwar das Proton (p), das Neutron (n) und das Elektron (e) sowie die Photonen (γ), die bei Zustandsänderungen emittiert oder absorbiert werden. Inzwischen sind durch die Forschungen der Hochenergiephysik zahlreiche ungewöhnliche, unter normalen Umständen nicht in Erscheinung tretende Formen der Materie und weit über zweihundert Elementarteilchen bekannt

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Klassifizierung der Elementarteilchen

Elementarteilchen unterteilt man heute in die folgenden, bereits genannten Gruppen:

  • Leptonen (mit Leptonenzahl 1 und Spin 12) und
  • Quarks (mit Baryonenzahl 13 und Spin 12), die
  • Eichbosonen (mit ganzzahligem Spin) und die
  • Higgs-Teilchen (mit Spin 0)
sowie deren Antiteilchen (mit entgegengesetzter Leptonen- beziehungsweise Baryonenzahl). Leptonen und Quarks gruppieren sich in drei Familien (Generationen) zu jeweils zwei(51 von 436 Wörtern)

Stabilität

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Stabile Elementarteilchen

Unter allen bekannten Elementarteilchen sind nur die zu den Leptonen zählenden Elektronen, die zu

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Quasistabile Elementarteilchen und Resonanzen

Die Lebensdauer der Elementarteilchen lässt sich hinsichtlich ihrer Stabilität oder Instabilität bezüglich der fundamentalen Wechselwirkungen unterteilen. Die fundamentalen Elementarteilchen, also die Leptonen und Quarks, sowie die Eichbosonen sind entweder absolut stabil wie die Teilchen der

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Quantenzahlen und Erhaltungssätze

Grundsätzlich können Elementarteilchen und fundamentale Wechselwirkungen nicht als voneinander getrennte Begriffe aufgefasst werden: Einerseits sind die Elementarteilchen als Elementaranregungen relativistischer Quantenfelder (d. h. als Feldquanten) aufzufassen und andererseits sind ihre Wechselwirkungen durch die Koppelung dieser Quantenfelder aneinander gegeben. Die ihre zeitliche Evolution beschreibenden Feldgleichungen sind dann unter bestimmten Symmetrietransformationen invariant, d. h., sie realisieren bestimmte Symmetrien, mit anderen Worten: Elementarteilchen und Wechselwirkungen sind konkrete Realisierungen von Symmetrien der Natur. Die Symmetrieeigenschaften der Elementarteilchen ermöglichen auch deren Klassifikation. Die Elementarteilchen werden nämlich durch

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Theorie der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen

Die Theorie der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen gründet sich heute auf deren innere Symmetrien. Frühere Ansätze wie die Bootstrap-Hypothese in Verbindung mit der analytischen S-Matrix-Theorie (Streuoperator) und die nichtlineare Spinortheorie von W. Heisenberg werden heute kaum noch verfolgt. Ausgangspunkt ist das Eichprinzip, demzufolge eine Symmetrie der Elementarteilchen nicht nur raumzeitlich starr, sondern auch lokal, d. h. in jedem Raumzeit-Punkt unabhängig von allen anderen gelten soll. Die gegenseitige Information über die lokale Symmetrie der Elementarteilchen muss dann allerdings durch geeignete Teilchen, die Eichbosonen,

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Standardmodell der Elementarteilchenphysik

Die wesentlichen Ergebnisse der Elementarteilchenphysik werden heute im sogenannten Standardmodell der Elementarteilchenphysik zusammengefasst, nach dem es als Materieteilchen drei Familien von je zwei Quarks und Leptonen und deren Antiteilchen sowie drei fundamentale, durch Eichbosonen vermittelte Wechselwirkungen und die Gravitation gibt (Tabelle); die Quantisierung der Gravitation steht jedoch noch aus (Quantengravitation). Die Eichsymmetrie des Standardmodells wird durch das Produkt SU(3) × SU(2) × U(1) der Symmetrien der starken und elektroschwachen Wechselwirkung beschrieben. Die theoretischen Konsequenzen aus dem Standardmodell stehen (bisher) in völliger

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Geschichte

Nachdem Versuche mit Kathodenstrahlen (P. Lenard, J. J. Thomson) 1897 das negativ geladene Elektron (e) als Bestandteil der Atome und als Träger einer negativen Elementarladung aufgezeigt hatten, sicherten die von E. Rutherford u. a. mit Alphastrahlen durchgeführten Streuexperimente an Atomkernen (1911) und Kernumwandlungen (1919) das positiv geladene Proton (p) als Baustein des Atomkerns. 1932 wurde von J. Chadwick ein weiterer Kernbaustein, das ungeladene Neutron (n), entdeckt. Die relativistisch invariante Formulierung der Quantentheorie durch P. A. M. Dirac (1928) führte dann zur Voraussage von neuen Elementarteilchen in Form

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Werke

Weiterführende Literatur:

G. Fraser u. a.: Auf der Suche nach dem Unendlichen (aus dem Englischen, 1999);
M. Treichel: Teilchenphysik u. Kosmologie.
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Quellenangabe
Brockhaus, Elementarteilchen. http://brockhaus.de/ecs/enzy/article/elementarteilchen