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Teilchenphysik

Die Teilchenphysik ist ein Zweig der Physik, der die Natur der Teilchen untersucht, aus denen Materie und Strahlung bestehen. Obwohl sich das Wort Teilchen auf verschiedene Arten sehr kleiner Objekte beziehen kann (z. B. Protonen, Gasteilchen oder sogar Hausstaub), untersucht die Teilchenphysik normalerweise die kleinsten und am wenigsten reduzierbar nachweisbaren Teilchen und grundlegenden Wechselwirkungen, die zur Erklärung ihres Verhaltens erforderlich sind. Nach unserem heutigen Wissen sind diese Elementarteilchen Quantenfeldstimuli, die auch ihre Wechselwirkungen steuern. Die aktuelle Theorie, die diese grundlegenden Teilchen und Felder und ihre Dynamik erklärt, wird als Standardmodell bezeichnet. Daher untersucht die moderne Teilchenphysik im Allgemeinen das Standardmodell und seine verschiedenen möglichen Erweiterungen, zum Beispiel im jüngsten bekannten Teilchen, dem Higgs-Boson, oder sogar im ältesten bekannten Kraftfeld, der Schwerkraft.

Subatomare Partikel

Die moderne Forschung in der Teilchenphysik konzentriert sich auf subatomare Teilchen, einschließlich atomarer Bestandteile wie Elektronen, Protonen und Neutronen (Protonen und Neutronen sind zusammengesetzte Teilchen, sogenannte Baryonen aus Quarks), die sich durch radioaktive und streuende Prozesse auszeichnen, indem Beispielsweise Photonen, Neutrinos und Myonen sowie eine Vielzahl von exotischen Partikeln emittiert werden. Die Dynamik von Teilchen wird auch von der Quantenmechanik bestimmt. Teilchen können eine Welle-Teilchen-Dualität aufweisen und zeigen unter bestimmten experimentellen Bedingungen ein teilchenartiges Verhalten und unter anderen ein wellenartiges Verhalten. Technisch ausgedrückt werden sie durch Quantenzustandsvektoren in einem Hilbert-Raum beschrieben, der auch in der Quantenfeldtheorie behandelt wird. Nach der Konvention der Teilchenphysiker wird der Begriff Elementarteilchen auf jene Teilchen angewendet, von denen nach heutigem Verständnis angenommen wird, dass sie unteilbar sind und nicht aus anderen Teilchen bestehen.

Alle bisher beobachteten Teilchen und ihre Wechselwirkungen können fast vollständig durch eine Quantenfeldtheorie beschrieben werden, die als Standardmodell bezeichnet wird. Das derzeit formulierte Standardmodell enthält 61 Elementarteilchen. Diese Elementarteilchen, die seit den 1960er Jahren entdeckt wurden, können sich zu zusammengesetzten Teilchen verbinden, was Hunderte andere Teilchenarten ergibt. Es wurde festgestellt, dass das Standardmodell mit fast allen bisher durchgeführten experimentellen Tests übereinstimmt. Die meisten Teilchenphysiker glauben jedoch, dass es sich um eine unvollständige Beschreibung der Natur handelt und dass eine grundlegendere Theorie auf ihre Entdeckung wartet. In den letzten Jahren haben Messungen der Neutrinomasse die ersten experimentellen Abweichungen vom Standardmodell ergeben, da Neutrinos im Standardmodell masselos sind.

Geschichte

Die erste Idee, dass alle Materie im Wesentlichen aus Elementarteilchen besteht, stammt aus dem 6. Jahrhundert vor Christus. Im 19. Jahrhundert gelangte John Dalton durch seine Arbeiten zur Stöchiometrie zu dem Schluss, dass jedes Element der Natur aus einem einzigen, einzigartigen Partikeltyp besteht. Die Wissenschaftler entdeckten bald, dass Atome nicht die grundlegenden Teilchen der Natur sind, sondern Konglomerate von noch kleineren Teilchen wie das Elektron. Die Erforschung der Kernphysik und der Quantenphysik im frühen 20. Jahrhundert führte 1939 zu Beweisen der Kernspaltung durch Lise Meitner (basierend auf Experimenten von Otto Hahn) und zur Kernfusion von Hans Bethe im selben Jahr. Beide Entdeckungen führten auch zur Entwicklung von Atomwaffen. In den 1950er und 1960er Jahren wurde eine verwirrende Vielfalt von Partikeln bei Kollisionen von Partikeln aus Strahlen mit immer höherer Energie gefunden. Wichtige Entdeckungen wie die CP-Verletzung durch Chien-Shiung Wu brachten zusätzlich neue Fragen zum Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie. Der in den 1960er-Jahren eingeführte Begriff Partikelzoo wurde nach der Formulierung des Standardmodells in den 1970er Jahren modifiziert, wobei die große Anzahl von Partikeln als Kombination einer (relativ) kleinen Anzahl grundlegenderer Partikel erklärt wurde, was den Beginn der modernen Teilchenphysik markierte.

Quizfragen zum Thema

1. Was ist die Hochenergiephysik?

   In der Hochenergiephysik sind Inhalte der Teilchenphysik wie ebenso der Schwerionenphysik zusammengefasst. Die Hochenergiephysik ergab sich aus dem Bedarf an immer höheren Energien, um in Teilchenbeschleunigern mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit neue Erkenntnisse zu Wechselwirkungen der Teilchen zu erhalten.

2. Was ist das Standardmodell der Teilchenphysik?

   Im Standardmodell werden die grundlegenden Erkenntnisse der Teilchenphysik nach aktuellem Stand zusammengefasst.

3. Aus was besteht gemäß dem Standardmodell der Teilchenphysik die Materie?

   Das Fermion, benannt nach dem Kernphysiker Enrico Fermi, ist das Elementarteilchen, aus dem alle Materie besteht. Im Standardmodell umfassen Fermionen 12 Arten, darunter Leptonen und Quarks und als zusammengesetzte Teilchen Protonen und Neutronen, die wiederum den Atomkern bilden.

4. Was ist der grundlegende Unterschied zwischen der klassischen Physik und der Teilchenphysik?

   Während in der klassischen Physik alle Elemente und Teile zwar zusammengesetzt und verändert werden können und dies auch rekursiv funktioniert, entstehen in der Teilchenphysik bei rekursiven Vorgängen neue unteilbare Elementarteilchen, die wiederum in völlig andere Teilchen zerfallen können. Die Teilchenphysik widerspricht zumindest in bestimmten Bereichen der klassischen Physik.

5. Quarks werden aus Fermionen abgeleitet, zähle die Unterarten des Quarks gemäß dem Standardmodell auf:

   • u Up
   • d Down
   • c Charm
   • s Strange
   • t Top
   • b Bottom

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