ELEMENTARTEILCHEN

Elementarteilchen,

 

die kleinsten, mit den gegenwärtig zur Verfügung stehenden Mitteln und Energien der sie erforschenden Hochenergiephysik nicht weiter zerlegbaren materiellen, in einigen Fällen auch keine Ruhmasse aufweisenden Teilchen (nebst ihren Antiteilchen), die im Allgemeinen instabil sind und zum Teil in Wechselwirkungsprozessen mit sehr hoher Energie- und Impulsübertragung oder in Zerfallsprozessen der schwachen Wechselwirkung entstehen, sich ineinander umwandeln oder auseinander hervorgehen, also keine unzerstörbare Individualität besitzen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass unter diesen Elementarteilchen, die Urheber und Träger aller atomaren und subatomaren Erscheinungen sind, alle der starken Wechselwirkung unterworfenen Elementarteilchen (die Hadronen) aus noch elementareren Gebilden, den Quarks, aufgebaut sind, die aber bislang nicht als frei existierende Teilchen beobachtet werden konnten.

 

Nach ihrer Masse und der Art ihrer Wechselwirkung unterscheidet man: Baryonen und Mesonen (sie bilden die Gruppe der Hadronen), Leptonen und Quarks (sie werden heute als die fundamentalen Elementarteilchen angesehen) sowie die Eichbosonen, die die Wechselwirkung zwischen den fundamentalen Elementarteilchen vermitteln; zu den Eichbosonen zählen die Photonen (als Anregungsquanten des elektromagnetischen Feldes ), die W- und Z-Bosonen, die die schwache Wechselwirkung und die Gluonen, die die starke Wechselwirkung vermitteln. Unter diesen Elementarteilchen sind nur die Elektronen, die Protonen und (wenn in Atomkernen gebunden) die Neutronen sowie die ruhmasselosen Photonen und die ebenfalls ruhmasselosen oder höchstens eine nur sehr kleine Ruhmasse besitzenden Neutrinos wirklich stabil, wobei die Elektronen, Protonen und Neutronen die Bausteine der Atome und damit der gesamten (gewöhnlichen) Materie sind (sie wurden daher ursprünglich allein als Elementarteilchen angesehen). Alle anderen Elementarteilchen aus diesen Gruppen sowie das Neutron im freien Zustand sind unbeständig, d. h., sie zerfallen, wobei ihre Zerfallsprodukte aber ebenfalls wieder Elementarteilchen sind. Neben diesen stabilen oder langlebigen Elementarteilchen (langlebig im Vergleich zur typischen Dauer von Stoßprozessen der starken Wechselwirkung von etwa 10^-23 s) gibt es eine große Zahl extrem kurzlebiger Elementarteilchen (Lebensdauer < 10^-20 s), die Teilchen- oder Massenresonanzen, die sich in Elementarteilchenreaktionen als Zwischenzustände bemerkbar machen und zu den Elementarteilchen gerechnet werden müssen, da sie als kurzzeitig angeregte oder gebundene Zustände von Baryonen und/oder Mesonen anzusehen sind (man unterscheidet dementsprechend Baryonen- und Mesonenresonanzen).

 

Quasistabile Elementarteilchen und Resonanzen:

 

Zu Beginn der Elementarteilchenphysik herrschte die Vorstellung, dass alle Materie nur aus einigen »wirklichen« Elementarteilchen, etwa dem Proton (p) und dem Elektron (e^-), aufgebaut sei. Inzwischen sind weit über zweihundert Elementarteilchen bekannt, deren Zahl weiter anwächst. Allen Teilchen ist gemeinsam, dass sie sich durch geeignete Stoß- oder Zerfallsprozesse ineinander umwandeln lassen oder aus Energie erzeugt werden können, falls dies nicht durch gewisse Einschränkungen verhindert wird (z. B. die Erhaltungssätze für die Baryonen- und die Leptonenzahl). Man kann also nicht einige als »elementarer« ansehen als die Übrigen. Doch kann man eine relativ kleine Gruppe als quasistabile Elementarteilchen betrachten, die anderen als so genannte Resonanzen, denn die Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen sind nicht als völlig getrennte Begriffe aufzufassen, sondern hängen eng zusammen; z. B. sind sämtliche elektromagnetischen Wechselwirkungen etwa zwischen p und e^- mit der Existenz von Photonen, die etwa 10^-13 cm weit reichenden starken Wechselwirkungen (z. B. Kernkräfte) mit der Existenz von Mesonen als Vermittlern dieser Kräfte verbunden, die schwachen Wechselwirkungen (Reichweite 10^-13 cm) mit den W- und Z-Bosonen. Diejenigen Elementarteilchen, die nur aufgrund der elektromagnetischen und schwachen Kräfte zerfallen können, werden als quasistabile Elementarteilchen bezeichnet. Ihre Lebensdauer ist länger als die der kurzlebigen Elementarteilchen, die durchschnittlich 10^-23 s beträgt. Deshalb können Letztere experimentell nur als Resonanzen beobachtet werden, wenn bei Streuprozessen (quasi-)stabiler Elementarteilchen die Wirkungsquerschnitte in Abhängigkeit von der Energie und dem übertragenen Impuls resonanzartige Maxima zeigen. Ein derartiges Maximum wird als kurzzeitiges Auftreten eines Elementarteilchens interpretiert, dessen in MeV/c² gemessene Masse (c = Lichtgeschwindigkeit) direkt durch die zum Maximum des Wirkungsquerschnitts gehörende Energie gegeben ist. Die Breite dieser Resonanz, die Energie- oder Massenunschärfe, ergibt unter Berücksichtigung der Unschärferelation ΔE · τ ≈ h̶ die mittlere Lebensdauer τ dieses kurzlebigen Teilchens (h̶ = h/2π, h = plancksches Wirkungsquantum).

 

Systematik der Elementarteilchen, Erhaltungssätze:

 

Die in Hadronen (Baryonen und Mesonen), Leptonen und Eichbosonen unterteilten Elementarteilchen werden quantenmechanisch durch Zustände in einem Hilbert-Raum beschrieben, die durch eine Reihe von messbaren Quanteneigenschaften oder Quantenzahlen charakterisiert werden können: Masse M (Ruhmasse oder Ruhenergie), Spin J (Drehimpuls im Ruhsystem) und Parität P, elektrische Ladung Q, Baryonenzahl B, Isospin I (Komponente I₃), elektronische, myonische und tauonische Leptonenzahlen L_e, L_μ und L_τ, mittlere Lebensdauer τ, bei Hadronen außerdem Strangeness S (beziehungsweise Hyperladung Y), Charm C, Bottom b und Truth t. Die drei ersten Quantenzahlen hängen mit der Lorentz-Invarianz der physikalischen Gesetze und den daraus folgenden Erhaltungssätzen für Energie, Impuls und Drehimpuls zusammen, die anderen sind mit Eichinvarianzen sowie mit der Existenz innerer Symmetrien (unitäre Symmetrie SU [3] u. a.) verbunden. Für Energie, Impuls, Drehimpuls, Ladung (mit der Elementarladung als Einheit), Baryonenzahl und Leptonenzahlen gelten nach der Erfahrung strenge Erhaltungssätze. Reaktionen zwischen den Elementarteilchen können nur bei Einhaltung der dadurch gegebenen Auswahlregeln stattfinden.

 

Baryonen und Leptonen haben halbzahligen, die Mesonen und Eichbosonen ganzzahligen beziehungsweise verschwindenden Spin (in Einheiten h̶); sie verhalten sich damit wie Fermionen oder wie Bosonen, was zu wichtigen Unterschieden im quantenstatistischen Verhalten führt. Für Baryonen ist B = 1, für ihre Antiteilchen B = —1, für alle anderen Teilchen B = 0. Für Leptonen ist jeweils eine der Leptonenzahlen gleich 1, bei ihren Antiteilchen —1; für alle anderen Teilchen haben die Leptonenzahlen den Wert null.

 

Die Entdeckung der K-Mesonen (Kaonen) und Hyperonen, der Strange Particles, und deren Zerfallseigenschaften führten zur Einführung der Strangeness S und eines Erhaltungssatzes für diese Größe (Quantenzahl). Man fand, dass gewisse Reaktionen »erlaubt«, andere »verboten« sind. Das erzwang die Auswahlregel: S bleibt bei allen Wechselwirkungen außer der schwachen erhalten. Die Parität und die dritte Komponente I₃ des Isospins bleiben bei starker und elektromagnetischer Wechselwirkung erhalten, die Isospinquantenzahl dagegen nur bei der starken Wechselwirkung. Offenbar gilt also: je stärker die Wechselwirkung, desto mehr Symmetrieeigenschaften. Bisher hat man für diese »Hierarchie« der Wechselwirkungen keine Erklärung.

 

Einen systematischen und durch die inneren Symmetrien erklärbaren Überblick über die Hadronen geben die im Oktettmodell von M. Gell-Mann und Y. Ne'eman eingeführten, als Supermultipletts bezeichneten J^P -Multipletts, z. B. das Baryonenoktett ½⁺, das Baryonenresonanzendekuplett ³/₂⁺, das Mesonennonett 0^-, das Mesonennonett 1^- u. a. Ersichtlich gibt es in diesen Diagrammen Gruppen von Elementarteilchen mit annähernd gleicher Masse und gleicher Baryonenzahl (und natürlich gleichem Spin und gleicher Parität), aber verschiedener elektrischer Ladung Q. Es liegt nahe, diese Teilchen zu eigenen Multipletts zusammenzufassen, die durch den Isospin charakterisiert werden. Zu jedem solchen Isospinmultiplett gehört eine ganz- oder halbzahlige Größe I, aus der sich die Multiplizität zu 2I + 1 ergibt. Die einzelnen Mitglieder dieses Isospinmultipletts sind durch I₃ (= I, I — 1,. .., —I) gekennzeichnet. Ein Beispiel liefern die Pionen π⁺, π⁰, π^- mit I = 1 und I₃ = 1, 0, —1. Für die Nukleonen n und p ist I = ½, sie bilden ein Isospindublett; das Λ-Hyperon bildet ein Isospinsingulett. Diese Zuordnungen bekommen ihren Sinn auch durch die experimentell bestätigte Isospininvarianz (Ladungsunabhängigkeit) der starken Wechselwirkung. Da die Photonen und Leptonen keine starken Wechselwirkungen ausüben, scheint dort die Einführung eines Isospins sinnlos zu sein.

 

Theorie der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen:

 

Man sucht heute einer geschlossenen Theorie der Elementarteilchen durch Untersuchung der an ihren Wechselwirkungen erkennbaren inneren Symmetrien näher zu kommen, um einen natürlichen Zusammenhang aller Elementarteilchen zu erkennen. Andere Ansätze sind die Bootstrap-Hypothese und die nichtlineare Spinortheorie von W. Heisenberg. Die in Weiterverfolgung der SU (3)-Symmetrie hypothetisch eingeführten Quarks sind heute durch zahlreiche direkte und indirekte Hinweise, die sich bei Experimenten der Hochenergiephysik ergaben, weitgehend in ihrer Existenz gesichert. Nach dem Quarkmodell der Hadronen sind die Baryonen gebundene Zustände von jeweils drei Quarks oder drei Antiquarks, während die Mesonen aus jeweils einem Quark und einem Antiquark bestehen. Diese Vorstellung lieferte eine gute Erklärung für die Einordnung der Hadronen in Supermultipletts.

 

Dementsprechend konzentriert sich heute die Beschreibung der starken Wechselwirkungen auf die Behandlung der zwischen den Quarks wirkenden, durch Gluonen vermittelten Kräfte, die ziemlich unabhängig von der Quarkart zu sein scheinen. Da das Pauli-Prinzip auch für die Zusammensetzung der Baryonen aus drei (zu den Fermionen zählenden) Quarks gelten muss, war man zur Einführung eines als Color oder Farbe bezeichneten neuen Freiheitsgrades der Quarks gezwungen, der drei Werte annehmen kann; die sich so ergebenden drei verschiedenen Farbzustände der einzelnen Quarks liefern dann bei geeigneter Zusammensetzung zu Hadronen stets die Farbe null (d. h., alle Hadronenzustände sind farblos, also Farbsinguletts). Diese neue ladungsartige Größe bietet sich als die Quelle des Feldes an, das die Quark-Quark-Wechselwirkung vermitteln soll (ähnlich wie die Elementarladung als Quelle der elektromagnetischen Wechselwirkungen zwischen geladenen Teilchen). In Anlehnung an die Quantenelektrodynamik wurde seit 1974 von S. Weinberg sowie Gell-Mann u. a. eine als Quantenchromodynamik bezeichnete Quantenfeldtheorie für dieses farbtragende Vektorfeld aufgestellt, dessen Feldquanten die 1979 bei DESY nachgewiesenen Gluonen sind.

 

Die 1972/73 bei Experimenten mit intensiven Neutrinostrahlen erfolgte Entdeckung von neutralen Strömen und damit von Prozessen der schwachen Wechselwirkung ohne Ladungsübertragung stützt von experimenteller Seite her den bereits 1967/68 von Weinberg und A. Salam vorgenommenen Versuch, die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung zu einer elektroschwachen Wechselwirkung zusammenzufassen und in einer einheitlichen Theorie zu beschreiben. In diesem Modell (Glashow-Salam-Weinberg-Theorie) sind die Photonen (als Vermittler der elektromagnetischen Kräfte) und die 1983 von C. Rubbia u. a. bei CERN entdeckten intermediären Vektorbosonen W⁺, W^- und Z⁰ (als die eine schwache Wechselwirkung bewirkenden Teilchen) die verschiedenen Feldquanten eines neuartigen Vektorfeldes aus der Klasse der Eichfelder. Aus dieser Theorie folgt, dass die schwachen Wechselwirkungen sich nur deshalb als schwach zeigen (d. h. eine sehr kleine Kopplungskonstante haben), weil die vermittelnden W^±- und Z⁰-Bosonen eine Masse M besitzen, die fast 100-mal größer als die Protonenmasse ist; diese große Masse sorgt überdies dafür, dass die Reichweite der schwachen Wechselwirkungen kleiner als h̶ / Mc ≈ 2 · 10^-15 cm wird. Die wesentlichen Ergebnisse der Elementarteilchen—Physik werden heute im so genannten Standardmodell der Elementarteilchen zusammengefasst, nach dem es als Materieteilchen drei Familien von Quarks und von Leptonen und deren Antiteilchen sowie vier fundamentale Naturkräfte gibt (Tabelle). Es gibt zahlreiche Versuche, die im Standardmodell zusammengefasste starke und elektroschwache Wechselwirkung in Großen Vereinheitlichten Theorien zu vereinheitlichen und in supersymmetrischen Theorien auch die Gravitation mit einzubeziehen (Supergravitation, Stringtheorie). Als umfassende Theorie der Elementarteilchen ist das Standardmodell allerdings noch nicht befriedigend.

 

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 der Antiteilchen, z. B. eines positiv geladenen Antielektrons, des Positrons (e⁺), das C. D. Anderson 1932 in der kosmischen Strahlung entdeckte. Das Teilchen-Antiteilchen-Konzept hat sich in der Folgezeit als allgemein gültig erwiesen.

 

Die 1905 von A. Einstein aufgestellte Lichtquantenhypothese war Ausgangspunkt für den Teilchenaspekt des elektromagnetischen Feldes und der Betrachtung des ruhmasselosen Photons (γ) als des Elementarteilchens, das Vermittler der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen Ladungsträgern ist (Austauschkraft). Von den entsprechend für die Kernkräfte (H. Yukawa, 1935) verantwortlichen π-Mesonen oder Pionen (π^-, π⁰, π⁺) entdeckten C. F. Powell, G. P. S. Occhialini und C. M. S. Lattes 1947 das geladene Pion in der kosmischen Strahlung, nachdem zuvor der Nachweis gelungen war, dass das 1937 durch C. D. Anderson und S. H. Neddermeyer sowie von J. C. Street und E. C. Stevenson ebenfalls in der kosmischen Strahlung entdeckte Myon ein Lepton ist und daher nicht das von der Yukawa-Theorie geforderte Austauschteilchen sein konnte. 1949 wurde dann von R. Bjorkland u. a. das neutrale Pion π⁰ nachgewiesen.

 

Zu dieser Zeit wurden aufgrund der fortschreitenden Messtechnik (Verwendung von Blasen- und Funkenkammern, Koinzidenzzählrohren, Halbleiter- u. a. Teilchendetektoren sowie Kernspurplatten zum Nachweis) auch die ersten »unerwarteten« Teilchen, die Strange Particles und ihre Antiteilchen, sowie die ersten Resonanzteilchen entdeckt: 1947 fanden C. F. Powell u. a. in der kosmischen Strahlung das K⁺-Meson sowie G. Rochester und C. Butler das K⁰-Meson, 1951 Butler u. a. das ungeladene Lambdahyperon (Λ⁰) als erstes Elementarteilchen aus der Gruppe der Hyperonen, während 1952 E. Fermi u. a. bei der Streuung von Pionen an Nukleonen die erste Massenresonanz entdeckten. In der Folgezeit wurde eine Vielzahl dieser lang- und kurzlebigen Elementarteilchen gefunden, wobei der Bau großer Teilchenbeschleuniger mit intensiven, hochenergetischen Teilchenströmen ihre Erzeugung in größerer Anzahl ermöglichte und außerdem auch die Entdeckung der von der Theorie geforderten Antinukleonen, nämlich des Antiprotons (E. Segrè, O. Chamberlain u. a.; 1955) und des Antineutrons (1956), brachte. Von besonderer Bedeutung war die Entdeckung des Omega-Minus-Teilchens (V. Barnes u. a., 1964), dessen Existenz und Eigenschaften von der SU(3)-Theorie der Elementarteilchen vorhergesagt worden waren und dessen Auffindung eine Bestätigung dieser Vorstellungen erbrachte. Dadurch bekam die 1964 von M. Gell-Mann und G. Zweig vorgeschlagene Hypothese der Drei-Quark-Struktur der Baryonen und Quark-Antiquark-Struktur der Mesonen, die die Einordnung der Hadronen in die Supermultipletts des 1961/62 von Gell-Mann und Y. Ne'eman aufgestellten Oktettmodells ermöglicht, einen realen Hintergrund.

 

Neue Impulse bekam die Elementarteilchenphysik durch die 1975 von B. Richter u. a. sowie von S. C. C. Ting u. a. gemachte Entdeckung der relativ langlebigen Psiteilchen (J/ψ). Sie führte zu dem Schluss, dass nicht nur drei Quarks und ihre Antiteilchen als Grundbaustein der Hadronen fungieren, sondern ein weiteres Quarkteilchen mit einer Masse von mindestens 1 500 MeV / c², das mit der bisher unbekannten Quanteneigenschaft Charm behaftete Charmquark, existieren müsse. Die Nachweise der D-Mesonen (G. Goldhaber u. a., 1976) und der F-Mesonen (1983), die Kombinationen des Charmquarks c mit den drei anderen Antiquarks d̄, ū und s̄ bestätigen das Quarkmodell. Die Entdeckung des Ypsilonteilchens (L. M. Lederman u. a., 1977) und der B-Mesonen (1983) machte die Existenz einer fünften Quarkart (mit einer Masse von etwa 4 500 Me V/ c²) deutlich, des mit der bisher ebenfalls unbekannten Quanteneigenschaft Bottom behafteten Bottomquarks. Das aus Symmetriegründen (Lepton-Hadron-Symmetrie) gefolgerte Topquark konnte 1995 mit einer Masse von etwa 130 000 MeV / c² gefunden werden. Neueste Theorien postulieren, dass auch die Quarks und die Leptonen nicht fundamental, sondern ihrerseits aus subelementaren Teilchen aufgebaut sind. Bisher gibt es aber keine Beobachtung, die auf eine innere Struktur der Quarks und Leptonen hindeutet.

 

Wie die 1977 durch M. L. Perl u. a. erfolgte Entdeckung des als Tauteilchen (τ^±) bezeichneten schweren Leptons (Masse 1 780 MeV / c²) und das bisher noch nicht direkt nachgewiesene zugehörige Tauneutrino (ν_τ) aufzeigen, besteht die Gruppe der Leptonen aus sechs Elementarteilchen und ihren Antiteilchen: drei massebehafteten, elektrisch geladenen Leptonen (Elektron, Myon und Tauteilchen) sowie ihren assoziierten ungeladenen und (sehr wahrscheinlich) masselosen Neutrinos. Die Erforschung des Betazerfalls, der z. B. gemäß n → p + e^- + ν̅_e erfolgt, hatte W. Pauli bereits 1931 zur Annahme der Existenz des Neutrinos ν_e und der schwachen Wechselwirkung geführt. Der Nachweis dieses dem Elektron zugeordneten Elektronneutrinos gelang aber erst 1956 C. L. Cowan und F. Reines. 1962 stellten M. Schwartz u. a. die Existenz des Myon- oder Myneutrinos ν_μ fest, das beim Zerfall des Myons auftritt.

 

Literatur:

 

E. Lohrmann: Einf. in die E.-Physik (1983);

 O. Höfling u. P. Waloschek: Die Welt der kleinsten Teilchen (1984);

 K. Bethge u. U. E. Schröder: E. u. ihre Wechselwirkungen (1986);

 L. B. Okun: Physik der E. (a. d. Russ., 1991);

 G. Fraser u. a.: Auf der Suche nach dem Unendlichen (a. d. Engl., 1999);

 H. Frauenfelder u. E. M. Henley:Teilchen u. Kerne. Die Welt der subatomaren Physik (a. d. Engl., ⁴1999);

 

Teilchen u. Kerne. Eine Einführung in die physikal. Konzepte, Beiträge v. B. Povh u. a. (⁵1999).

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

Materie: Die atomare Struktur