Die Grundlagen der Elementarteilchenphysik

Das Konzept der fundamentalen, unteilbaren Teilchen geht zurück auf die Antike Griechen (ein Konzept, das als "Atomismus" bekannt ist). Im 20. Jahrhundert begannen die Physiker, das Geschehen auf den kleinsten Ebenen der Materie zu erforschen, und zu ihren verblüffendsten modernen Entdeckungen gehörte die Menge der verschiedenen Teilchen im Universum. Quantenphysik sagt 18 Arten von Elementarteilchen voraus und 16 wurden bereits experimentell nachgewiesen. Die Elementarteilchenphysik zielt darauf ab, die verbleibenden Teilchen zu finden.

Das Standardmodell der Teilchenphysik, das Elementarteilchen in mehrere Gruppen einteilt, bildet den Kern der modernen Physik. In diesem Modell sind drei der vier fundamentale Kräfte der Physik werden zusammen mit Messbosonen die Partikel beschrieben, die diese Kräfte vermitteln. Obwohl die Schwerkraft technisch nicht im Standardmodell enthalten ist, arbeiten theoretische Physiker daran, das Modell um a zu erweitern und vorherzusagen Quantentheorie der Schwerkraft.

Wenn es eine Sache gibt, die Teilchenphysiker zu genießen scheinen, dann ist es, Teilchen in Gruppen aufzuteilen. Elementarteilchen sind die kleinsten Bestandteile von Materie und Energie. Soweit Wissenschaftler wissen, scheinen sie nicht aus Kombinationen kleinerer Partikel zu bestehen.

Alle Elementarteilchen in der Physik werden als solche klassifiziert Fermionen oder Bosonen. Die Quantenphysik zeigt, dass Teilchen einen intrinsischen "Spin" ungleich Null haben können, oder Drehimpuls, mit ihnen verbunden.

Eine Fermion (benannt nach Enrico Fermi) ist ein Teilchen mit einem halben ganzzahligen Spin, während ein Boson (benannt nach Satyendra Nath Bose) ein Teilchen mit einer ganzen Zahl oder einem ganzzahligen Spin ist. Diese Drehungen führen in bestimmten Situationen zu unterschiedlichen mathematischen Anwendungen. Die einfache Mathematik zum Hinzufügen von Ganzzahlen und Halbzahlen zeigt Folgendes:

• Das Kombinieren einer ungeraden Anzahl von Fermionen führt zu einer Fermion, da der Gesamtspin immer noch ein halber ganzzahliger Wert ist.
• Das Kombinieren einer geraden Anzahl von Fermionen führt zu einem Boson, da der Gesamtspin einen ganzzahligen Wert ergibt.

Fermionen haben einen Teilchenspin, der einem halben ganzzahligen Wert entspricht (-1/2, 1/2, 3/2 usw.). Diese Teilchen bilden die Materie, die wir in unserem Universum beobachten. Die zwei Grundbestandteile der Materie sind Quarks und Leptonen. Diese beiden subatomaren Partikel sind Fermionen, daher werden alle Bosonen aus einer gleichmäßigen Kombination dieser Partikel erzeugt.

Quarks sind die Klasse der Fermionen, aus denen Hadronen bestehen, wie z Protonen und Neutronen. Quarks sind fundamentale Teilchen, die durch alle vier fundamentalen Kräfte der Physik interagieren: Schwerkraft, Elektromagnetismus, schwache Interaktion und starke Interaktion. Quarks existieren immer in Kombination, um subatomare Teilchen zu bilden, die als Hadronen bekannt sind. Es gibt sechs verschiedene Arten von Quarks:

• Bottom Quark
• Seltsamer Quark
• Quark runter
• Top Quark
• Charm Quark
• Up Quark

Leptonen sind eine Art Grundpartikel, die keine starke Wechselwirkung erfahren. Es gibt sechs Lepton-Sorten:

• Elektron
• Elektronenneutrino
• Myon
• Myon Neutrino
• Tau
• Tau Neutrino

Jeder der drei "Geschmacksrichtungen" von Lepton (Elektron, Myon und Tau) besteht aus einem "schwachen Dublett", dem oben genannten Teilchen, zusammen mit einem praktisch masselosen neutralen Teilchen namens a Neutrino. Somit ist das Elektronenlepton das schwache Dublett von Elektron und Elektronenneutrino.

Bosonen haben einen Teilchenspin gleich einer ganzen Zahl (ganze Zahlen wie 1, 2, 3 usw.). Diese Teilchen vermitteln die fundamentalen Kräfte der Physik unter Quantenfeldtheorien.

• Photon
• W Boson
• Z Boson
• Gluon
• Higgs Boson
• Graviton

Hadronen sind Teilchen, die aus mehreren miteinander verbundenen Quarks bestehen, so dass ihr Spin ein halber ganzzahliger Wert ist. Hadronen sind unterteilt in Mesonen (die Bosonen sind) und Baryonen (die Fermionen sind).

• Mesonen
• Baryonen
• Nukleonen
• Hyperonen: kurzlebige Teilchen aus seltsamen Quarks

Moleküle sind komplexe Strukturen, die aus mehreren miteinander verbundenen Atomen bestehen. Atome sind der chemische Grundbaustein der Materie und bestehen aus Elektronen, Protonen und Neutronen. Protonen und Neutronen sind Nukleonen, die Art von Baryon, die zusammen das zusammengesetzte Teilchen bilden, das der Kern eines Atoms ist. Die Untersuchung, wie Atome sich zu verschiedenen molekularen Strukturen verbinden, ist die Grundlage der Moderne Chemie.

Es kann schwierig sein, alle Namen in der Teilchenphysik klar zu halten, daher kann es hilfreich sein, an die Tierwelt zu denken, in der eine solche strukturierte Benennung vertrauter und intuitiver sein könnte. Menschen sind Primaten, Säugetiere und auch Wirbeltiere. In ähnlicher Weise sind Protonen Nukleonen, Baryonen, Hadronen und auch Fermionen.

Der unglückliche Unterschied besteht darin, dass die Begriffe einander ähnlich klingen. Das Verwirren von Bosonen und Baryonen ist beispielsweise viel einfacher als das Verwirren von Primaten und Wirbellosen. Die einzige Möglichkeit, diese verschiedenen Partikelgruppen wirklich getrennt zu halten, besteht darin, sie sorgfältig zu untersuchen und vorsichtig zu sein, welcher Name verwendet wird.

Bearbeitet von Anne Marie Helmenstine, Ph. D.