Elementarteilchen oder woraus bestehen wir?

Elementarteilchen oder woraus bestehen wir?
Das periodische System der Elementarteilchen:
Fermionen und Bosonen
Es gibt zwei Gruppen von Teilchen, jene mit halbzahligem Spin, welche Fermionen genannt
werden und jene mit ganzzahligem Spin, welche Bosonen genannt werden.
Es gibt 2 Familien von Fermionen als Grundbausteine der Materie: die Quarks, die der
starken Wechselwirkung (wird unten genauer erklärt) unterliegen, und die Leptonen, die
diese Kraft nicht fühlen.
Elementarteilchen existieren in zwei Formen, als normales Teilchen und als Antiteilchen. Die
beiden Teilchen haben entgegengesetzte elektrischen Ladung, sind aber in Masse, und allen
anderen Teilcheneigenschaften identisch. Als normal wird das Teilchen angesehen, das in der
uns umgebenden Materie vorkommt (siehe Fermionen), und als Antiteilchen das Teilchen mit
der entgegengesetzten Ladung.
Kräfte bzw. Wechselwirkungen
Die Grundkräfte der Physik oder fundamentalen Wechselwirkungen sind diejenigen Kräfte,
die allen physikalischen Phänomenen der Natur zugrunde liegen. Die Physik kennt heute
vier dieser Grundkräfte:
Die Gravitation beeinflusst unsere allgegenwärtige Physik merklich und dominiert die
großräumigen Strukturen des Universums. Sie besitzt eine unendliche Reichweite und wirkt
immer anziehend.
Eine
der
grundlegenden
Kräfte
im
Standardmodell
ist
die
elektromagnetische
Wechselwirkung. Teilchen, die an der elektromagnetischen Wechselwirkung teilhaben,
müssen selber elektrische Ladung tragen.
Die elektromagnetische Wechselwirkung ist neben der Gravitation die zweite Kraft, die vom
Menschen bewusst wahrgenommen werden kann. Auch sie besitzt eine unendliche
Reichweite.
Die schwache Wechselwirkung ist verantwortlich für bestimmte radioaktive Zerfallsprozesse.
Aufgrund der Austauschteilchen (siehe Bosonen) mit großer Masse besitzt sie nur eine sehr
kurze Reichweite von weniger als 10−15 m.
Die starke Wechselwirkung bindet die Quarks (wird unten genauer erklärt) aneinander,
bewirkt damit den Zusammenhalt der Teilchen, welche aus Quarks aufgebaut sind
(Hadronen) und indirekt der Atomkerne. Auf fundamentaler Ebene wird sie als
Wechselwirkung zwischen den Quarks beschrieben.
Die starke Kernkraft, bzw. Wechselwirkung hat eine sehr kurze Reichweite von 2,5·10−15 m.
Das Periodensystem der Fermionen
Erklärung zur Abbildung: Quarks tragen elektrische Ladungen, wobei die in der oberen Zeile
stehenden Teilchen sich von denen darunter um eine elementare Ladungseinheit
unterscheiden.
Die nebeneinander stehenden vertikalen Teilchenpaare werden charakterisiert durch eine
schwache Ladung, die ‚Flavour‘ genannt wird, und die die Kopplung zur schwachen Kraft
bewirkt. Es gibt 6 Flavours (Up, Down, Strange, Charm, Top, Bottom).
Schließlich tragen die Quarks noch eine
`Farbladung`, die mit der starken Kernkraft
verbunden ist. Im Gegensatz zur elektrischen Ladung, die nur Plus und das dazugehörige
Minus kennt, gibt es 3 verschiedene Kernkraft- Ladungen, die durch Farbbezeichnungen
unterschieden werden.
Die Familie der Leptonen enthält das Elektron und zwei weitere elektrisch geladene
Teilchen, das Myon und das Tau- Teilchen. Sie stimmen in allen ihren Eigenschaften mit
denen des Elektrons überein, außer dass ihre Massen größer sind als diejenige
des
Elektrons. Zu jedem elektrisch geladenen Lepton gehört ein neutraler Partner, ein Neutrino,
das Elektron, Myon und Tau- Neutrino. Man unterscheidet entsprechend den drei
Quarkpaaren auch für die drei Leptonpaare verschiedene Flavour- Ladungen.
Bosonen
Die Kraftübertragung durch Wechselwirkung geschieht über Austauschteilchen. Diese bilden
die Gruppe der Bosonen und haben ganzzahligen Spin.
Für die elektromagnetische Wechselwirkung sind es die Photonen. Für die schwache
Wechselwirkung gibt es sogenannte W und Z Teilchen. Für die starke Wechselwirkung sind
es Gluonen, welche die keine Masse besitzen.
Die Gravitation passt nicht ganz in diese Theorie, für sie gibt es das theoretische Teilchen
Graviton, welches aber noch nicht nachgewiesen wurde.
Das Standardmodell und die Forschung nach kleinsten Teilchen
Ihr wisst bereits, dass die Materie aus Atomen aufgebaut ist, die aus Protonen, Neutronen
und einer Elektronenwolke bestehen. Nun stellt sich die Frage, ob man diese Teilchen weiter
zerteilen kann, ob es ein kleinstes Teilchen gibt und wie dieses sich verhalten würde. Viele
Physiker überlegen sich dazu Theorien und versuchen diese durch Experimente zu
bestätigen. So entstand auch das Standardmodell der Teilchenphysik.
Symmetrie
Das Standardmodell geht von Symmetrien der mathematischen Struktur der Materie aus.
Um diese Symmetrien zu verstehen, könnt ihr an positive und negative elektrische Ladungen
denken. Man vermutete, dass es gleich viele negative Ladung, wie positive Ladung geben
sollte. Da die Natur nicht wissen kann, wie wir die Ladungen bezeichnet haben, dürften sich
physikalische Gesetze durch die Vertauschung der positiven und negativen Ladungen nicht
ändern. Diese sogenannte Invarianz (Hier: Unabhängigkeit unter Vertauschung von Plus und
Minus) der Naturgesetze bei bestimmten Veränderungen bezeichnet man als Symmetrie.
Doch die Natur verhält sich nicht immer wie wir es vermuten. Sie bricht diese Symmetrien.
Man spricht von Symmetriebrechung.
Probleme des Standardmodells
Das Standardmodell ist eine Theorie des Aufbaus der Materie und ihrer Kräfte. Diese
Theorie wurde durch viele Messungen am LEP (Large Elektron Postitron Collider – Großer
Elektronen Positronen Speicherring) im CERN (eine Großforschungsanlage für Kernphysik in
der Schweiz) bestätigt. Das SM lässt aber noch einiges offen. Unter anderem macht das
Standardmodell keine Vorhersagen über die Stärke der Kräfte. Die Gravitation konnte bisher
gar nicht in das Standardmodell eingebaut werden. Außerdem weiß man eigentlich gar nicht
wie viele Kräfte es gibt, da man nicht ausschließen kann, dass noch nicht alle Kräfte bekannt
sind. In der Physik gibt es laufende Veränderungen. So wurden zum Beispiel die elektrische
und die magnetische Kraft zur elektromagnetischen Kraft zusammengeführt. Möglicherweise
kann man alle Kräfte zu einer sogenannten Urkraft vereinigen. Zur Lösung dieses Problems
beschäftigen sich Theoretiker unter anderem mit den sogenannten Stringtheorien.
Wie bereits erwähnt beschäftigt sich das Standardmodell mit dem Aufbau der Materie.
Mithilfe des LEP im CERN konnte man Leptonen und Quarks durch Streuexperimente
nachweisen. Warum diese aber genauso auftreten wie sie es tun ist noch nicht geklärt. Doch
die Erforschung von kleinsten Teilchen ist nicht einfach.
Forschung
Um genaueres herauszufinden, werden Streuexperimente durchgeführt. Rutherford konnte
mit Hilfe der Streuung von α-Teilchen zeigen, dass diese auch durch Atome durchkommen.
Das liegt daran, dass die Masse der Atome fast vollständig im Atomkern konzentriert ist und
sich in den Orbitalen nur wenige Elektronen aufhalten und genügend Raum vorhanden ist,
den die α-Teilchen passieren können. Später wurden bei Streuexperimenten Elektronen als
Sonden verwendet, die sich gut beschleunigen lassen und ihre Energie je nach Bedarf
gewählt werden kann. Um sehr kleine Strukturen aufzulösen müssen sehr hohe Energien
erreicht werden. Dazu braucht man immer größere, komplexere Beschleuniger und
Detektoren zur Messung. Die Entwicklung dieser Nachweisgeräte erfordert immer die
neuesten Technologien. Die Daten können nur mit sehr umfangreichen Rechenprogrammen
ausgewertet werden.
So wurde bereits die Ausdehnung von Atomkernen gemessen, Schlüsse über das Innere der
Protonen und Neutronen und auch über Eigenschaften der Quarks und Gluonen erlangt. Bis
2007 wurde in Hamburg geforscht. Dort wurden Elektronen und Protonen in Magnetringen
gespeichert und dann gegeneinander geschossen, um die höchstmögliche Energie zu
erreichen.
Weil aber immer höhere Energien notwendig sind, um immer kleinere Teilchen zu zerlegen
und somit neue Teilchen zu entdecken, interessiert man sich jetzt eher dafür neue
Materieformen zu erzeugen. Man nutzt nun die Existenz von Antiteilchen. Denn aus Energie
kann ein Teilchen-Antiteilchen-Paar erzeugt werden, vorausgesetzt die Energie reicht aus
um gemäß E=mc² ein Antiteilchen mit Masse m zu erzeugen. Bei der Vernichtung von
Materie-Antimaterie entsteht für einen minimalen Augenblick eine hohe Energie, die sich
sofort wieder in Materie umwandelt. Dabei können wegen des Massendefekts andere
Teilchen entstehen, als wir hineingeschickt haben, weil sich die Quarks neue Partner
suchen.
Forschung am CERN
CERN ist das weltweit größte Forschungsinstitut für Teilchen- und Hochenergiephysik. Es
wurde 1954 gegründet. Österreich trat 1959 bei. Derzeit gibt es 20 Europäische
Mitgliedsstaaten, die sich an den Projekten beteiligen, dazu kommen Gastwissenschaftler
aus weiteren 85 Staaten weltweit.
Am CERN gibt es viele Kollisionsmaschinen, mit
denen Elementarteilchen so stark beschleunigt
werden,
dass
sie
fast
Lichtgeschwindigkeit
erreichen. Dann werden diese Teilchen zum
Kollidieren gebracht um Energie zu gewinnen.
Es gibt zwei Arten von Kollisionsmaschinen, lineare
Kollisionsmaschinen und Speicherringe. Lineare Kollisionsmaschinen können auf zwei Arten
genutzt werden, entweder wird ein
Teilchen auf ein ruhendes Teilchen
geschossen, oder es werden zwei
linear Kollider zusammengeschlossen
und
zwei
beschleunigte
Teilchen
aufeinander geschossen.
Bei den Speicherringen werden Teilchenpakete in einem Ring gegengleich beschleunigt und
diese Teilchenpakete können dann kollidieren. Es
werden
immer
mehrere
Teilchenpakete
hintereinander beschleunigt, sodass die Chance
einer Kollision erhöht wird. Der Vorteil bei solchen
Speicherringen
ist,
dass
die
Trefferwahrscheinlichkeit viel höher ist, weil die
Teilchen
nicht
nur
können,
sondern
an
einmal
zusammenstoßen
mehreren
Stellen
die
Möglichkeit besteht.
Wenn die Teilchen kollidieren, dann wird sehr viel
Energie frei und durch diese Energie können sich
andere Teilchen bilden, da man Energie in Masse
umwandeln kann und umgekehrt. Somit wird durch die Kollision neue Materie erschaffen,
welche dann durch Detektoren gemessen und untersucht wird.
Die größte Kollisionsmaschine am CERN ist der LHC (Large Hadron Collider – Großer
Hadronen Speicherring). Dabei handelt es sich um einen Speicherring mit einem
Durchmesser von 27 km. Der LHC beschleunigt Pakete von Protonen und zwar jeweils in die
entgegengesetzte Richtung, sodass sie dann kollidieren können. Dabei werden die Protonen
auf 99,9999998 % der Lichtgeschwindigkeit (~3*108 m/s) beschleunigt.
Die Teilchen fliegen 11245-mal in der Sekunde durch den Ring. Bei jeder Runde gibt es 4
Möglichkeiten für die Teilchen zu kollidieren. Dabei kollidieren aber immer nur winzige
Bruchteile der Teilchen in einem Paket.
An den 4 Stellen, an welchen die Teilchenpakete kollidieren können, stehen Detektoren um
die Kollisionen aufzuzeichnen, damit die Forscher sie dann auswerten können.
Am LHC arbeiten viele Forscher mit verschiedenen Zielen und Detektoren. Diese Detektoren
nehmen sehr viele Bilder pro Sekunde auf und sortieren gleich die nicht benötigten Bilder
aus. Die Wissenschaftler werten dann die ungeheure Datenmenge aus.
Im Vordergrund der Forschung steht derzeit die Suche nach neuen Elementarteilchen,
welche die Theoretische Physik vorhergesagt hat, wie etwa das Higgs-Teilchen (mit dem
Spin gleich null), welches die Existenz von Masse erklären könnte. Um ein Higgs-Teilchen
und das dazugehörige Higgs-Feld einzuführen, muss man das SM erweitern und die
spontane Symmetriebrechung einführen.
Der Vorgänger des LHC, der LEP (Large Elektron Postitron Collider – Großer Elektronen
Positronen Speicherring) hatte ebenfalls einen Umfang von 27 km. Es wurden dabei
allerdings keine Protonen beschleunigt, sondern Elektronen und Positronen, also Teilchen
und Antiteilchen.
Bei den Experimenten am LEP konnten neue Elementarteilchen bestätigt werden (W und Z
Teilchen) und man entwickelte auch das WWW (World Wide Web) um Daten schneller auf
der ganzen Welt austauschen zu können.