Die Geschichte des Elementarteilchen-Zoos

Die Geschichte des Elementarteilchen-Zoos
1886 entdeckte der deutsche Physiker Gotthilf-Eugen Goldstein in mit Wasserstoffgas gefüllten Kathodenstrahlröhren entstehende Kathodenstrahlen und Kanalstrahlen, beim Anlegen von elektrischen Hochspannungen. 1897 wies der Engländer Joseph John Thomson nach, dass die Kathodenstrahlen aus elektrisch negativ geladenen Teilchen bestehen und er konnte das Verhältnis von deren Ladung und Masse bestimmen.
Den Begriff "Elektronen" für diese Teilchen prägte sein Physiker-Kollege George J. Stoney. Die Kanalstrahlen bestanden aus entsprechend positiv geladenen, schwereren Teilchen. Später wurde ihnen von Rutherford
der Name Protonen (gr. das Erste) gegeben. Im Atommodell von Thomson bestehen die Atome aus gleichmäßig verteilten, elektrisch negativ und positiv geladenen Teilchen (Rosinenkuchen-Modell).
1911 entdeckte der Neuseeländer Ernest Rutherford durch seine Streuexperimente mit -Strahlen den Aufbau von Atomen aus Atomkern und Hülle. 1918 fand der Brite Francis William Aston mit empfindlichen
Massenspektrometern heraus, dass sich die verschiedenen Isotope von Atomen um ein Vielfaches der Masse
von Wasserstoffatomen unterscheiden. Darauf hin postulierte Rutherford, dass Atomkerne aus ungefähr
gleich schweren positiven und neutralen Teilchen, den Protonen und Neutronen aufgebaut sein sollten. Das
Proton war aus den Kathodenstrahlexperimenten bereits als Bestandteil des Wasserstoffatoms bekannt.
Erst im Jahr 1932 konnte James Chadwick das Neutron experimentell nachweisen. Bei der Bestrahlung von
Beryllium mit -Teilchen trat eine sehr harte Strahlung auf, die auch durch eine mehrere Zentimeter dicke
Bleischicht nicht abgeschirmt werden konnte. Zunächst vermutete man harte -Strahlung. Aus Streuexperimenten mit den Protonen in wasserstoffhaltigen Substanzen konnte man jedoch nachweisen, dass es sich um
neutrale Teilchen handelte, die ungefähr dieselbe Masse hatten wie die Protonen.
1928 postulierte der Brite Paul Dirac Elektronen mit negativer Energie und positiver elektrischer Ladung,
die so genannten Positronen. Diese ersten Antiteilchen wurden 1932 von dem Amerikaner Carl David Anderson experimentell in der Höhenstrahlung nachgewiesen.
1930 postulierte der Österreicher Wolfgang Pauli ein hypothetisches Teilchen, um die Eigenschaften des Zerfalls zu erklären, das so genannte Neutrino (). Der Nachweis gelang erst 26 Jahre später 1956 von den
Amerikanern Clyde Cowan und Frederick Reines. Es ist elektrisch neutral, besitzt eine nahezu verschwindende Masse und zeigt kaum Wechselwirkung mit Materie. Daher ist es extrem schwer nachzuweisen.
Bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts gelang es, immer mehr Teilchenarten aufzuspüren, z.B. Myonen (), Tauonen (), Mesonen (Pionen , Kaonen ), Baryonen (, , ) usw. Zu jedem Teilchen wurde fast immer
auch ein entsprechendes Antiteilchen gefunden. – Der Teilchenzoo wurde immer unübersichtlicher.
1964 postulierte der Amerikaner Murray Gell-Mann die so genannten Quarks, aus denen die Hadronen (z.B.
Mesonen, Protonen und Neturonen) aufgebaut sein sollten. Nach seiner Theorie haben Quarks elektrische
Ladungsbeträge von ⅓e bzw. ⅔e. Weil die Kraft zwischen Quarks stärker wird, wenn sie sich voneinander
entfernen, treten Quarks in der Natur nicht isoliert auf, sondern immer nur innerhalb von Hadronen.
Der Nachweis von Quarks gelang erstmalig 1969 am SLAC (Stanford Linear Accelerator) den Physikern
Jerome Isaac Friedmann, Henry Way Kendall und Richard E. Taylor durch Streuung von hochenergetischen
Elektronen an Protonen. Der SLAC kann Elektronen auf Energien von 50GeV beschleunigen.
Nach dem Standardmodell sind die Elementarteilchen zunächst ohne Masse. Ebenfalls im Jahr 1964 veröffentlichte der Brite Peter Higgs einen Formalismus, der die Masse der Teilchen durch Wechselwirkung mit
dem sog. Higgs-Feld über das Higgs-Boson erklärt. Es wurde im Juli 2012 am CERN in Genf nachgewiesen.
Je kleiner die zu analysierenden Strukturen sind, desto höher müssen die Energien der Sondenteilchen sein.
Im Jahr 2016 ist der stärkste Beschleuniger der Welt der Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf
(Proton-Proton-Kollisionen mit 2x 6,5 TeV). Der stärkste Beschleuniger in Deutschland ist der HERABeschleuniger am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg (Elektron-Proton-Kollisionen;
e: 27,5GeV / p: 920GeV). Das Tevatron am Fermilab in den USA mit 2x 1TeV wurde 2011 stillgelegt.
Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik
Das Standardmodell ist eine vereinheitlichte relativistische Quantenfeldtheorie, welche die
bekannten Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen (außer der Gravitation) beschreibt.
Die fundamentalen Elementarteilchen:
Nach dem aktuellen Standardmodell ist die gesamte bislang beobachtete Materie aus insgesamt 24 Grundbausteinen aufgebaut: 6 Leptonen und 6 Quarks, mit ihren entsprechenden
Antiteilchen. Sie haben jeweils die Drehimpulsquantenzahl (Spin) ½. Solche Teilchen mit
halbzahligem Spin nennt man auch "Fermionen".
6 Leptonen: Elektron (e-), Myon (-) , Tauon (-) und ihre Neutrinos (e,  )
(griechisch leptos = zart, dünn)
Die Elektronen, Myonen und Tauonen besitzen einfache negative elektrische
Ladungen. Die Neutrinos sind ungeladen und wenn überhaupt, dann haben
sie nur eine sehr geringe Ruhemasse (m<0,2eV/c²).
6 Quarks:
u (up, ⅔), d (down -⅓), c (charm, ⅔), s (strange, -⅓), t (top, ⅔), b (bottom, -⅓)
Quarks besitzen elektrische Drittel- bzw. Zweidrittelladungen. Außerdem besitzen sie eine weitere Quanteneigenschaft, welche die Physiker "Farbladung"
oder kurz "Farbe" (rot, blau, grün) nennen. Sie treten nicht als eigenständige
Teilchen in Erscheinung, sondern nur innerhalb von Hadronen.
Hadronen:
Darunter versteht man alle Teilchen mit starker Wechselwirkung, z.B. Protonen und Neutronen. Sie sind aus Quarks aufgebaut (z.B.: p = uud; n = ddu;
griechisch hadros = groß, stark)
Die fundamentalen Wechselwirkungen:
Die Kräfte zwischen den Elementarteilchen werden über sogenannte Quantenfelder durch
den Austausch von besonderen Teilchen, den sog. Feldquanten, vermittelt. Diese haben die
Drehimpulsquantenzahl 1. Teilchen mit ganzzahligem Spin nennt man auch "Bosonen".
Elektromagnetische Kraft: Zwischen elektrisch geladenen Teilchen - Feldquant: Photon
Schwache Kraft: Wirkt zwischen den Fermionen (Leptonen und Quarks)
Feldquanten: Vektorbosonen W + W – Z 0
Starke Kraft:
Wirkt zwischen den Quarks - Feldquant: Gluon
( Gravitation:
Wirkt zwischen Teilchen mit Masse - Feldquant: Graviton )