Sonnenuntergang in Kassel (Lara Bendig)

Sonntag, 23. Februar 2020

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik, Teil 1: Zurück an den Anfang

Der Urknall:
Eine Anfangsentwicklung, die zu den elementaren Teilchen der Physik geführt hat!

Erst aus diesen Teilchen haben sich dann durch Kräfte größere Strukturen gebildet, nämlich die Galaxienhaufen und Galaxien unseres Universums.
Wenn wir also unsere Welt verstehen wollen, dann müssen wir genau diesen Anfangszustand verstehen.
Dazu gibt es seit Jahrzehnten komplexe und hochmathematische Beschreibungen, aber auch enorm aufwändige Messungen an riesigen Beschleunigeranlagen.

Herausgekommen ist das Standardmodell der Elementarteilchen.
Was es aussagt, woraus es besteht und was seine Grenzen sind, das soll diese Postserie in den nächsten Wochen klären.

Danach werden wir eine Postserie jenseits des Standardmodells starten und uns mit Dunkler Materie und Dunkler Energie beschäftigen.

Dadurch werden wir mehr über die Entstehung und Entwicklung unseres Kosmos erfahren.

Dringen wir erst einmal zu den Objekten vor, die wir Elementarteilchen nennen, weil sie, nach allem was wir wissen, elementar, also nicht weiter zerlegbar sind. Informationen gibt es zu diesem Bereich auch im Post vom 13.2.2020 (Wie sag ichs meinem Alien? Teil 13: Alles Quark)

Elementarteilchen  sind natürlich keine Teilchen im klassischen Sinn. Eigentlich wissen wir nicht was sie sind, vielleicht auf kleinstem Raumgebiet realisierte Eigenschaften?

Aber stellen wir uns ruhig kleine Kugeln mit besonderen Eigenschaften vor:

Vier Arten von Elementarteilchen  brauchen wir um unsere sichtbare Welt zu verstehen:
u-Quark und d-Quark, Elektron, Elektronenneutrino, die man Elementarteilchen der ersten Familie oder der ersten Generation nennt.

Insgesamt gibt es noch zwei weitere Familien von Elementarteilchen, deren Mitglieder aber alle massereicher sind und sich nach kurzer Zeit in die Teilchen der ersten Familie umwandeln.

Die beiden Quarks bilden Protonen und Neutronen, die dann die  Atomkerne erzeugen.
Die Elektronen umgeben die Atomkerne und neutralisieren das elektrische Feld des Kerns.
Die Neutrinos tauchen nur auf, wenn sich Neutronen bei einer bestimmten Form der Radioaktivität in Protonen umwandeln.

 Wechselwirkungen der Bauteile untereinander werden durch Kräfte erzeugt. Im Standardmodell spielt die elektromagnetische Kraft, die schwache Kraft und die starke Kraft eine Rolle.
Diese Kräfte wirken durch Austausch von anderen "Teilchen", den sog. Wechselwirkungsbosonen übertragen:

Elektromagnetische Kräfte werden durch Photonen, die schwache Kraft durch Weakonen und die starke Kraft durch Gluonen vermittelt.

Jede dieser Kräfte wird durch Ladungen erzeugt: die Photonen durch elektrische Ladungen (da gibt es zwei, + und - genannt), die Weakonen durch schwache Ladungen (da gibt es ebenfalls zwei, links und rechts genannt) und die Gluonen durch starke Ladungen (da gibt es drei: rot, grün und blau genannt).

(Übrigens: Die schwache Kraft ruft Radioaktivität hervor und die starke Kraft ist für die Kernkraft verantwortlich. Elektromagnetische Kräfte können wir manchmal sehen: Licht besteht aus Photonen).

 Die Grundprinzipien, wie Ladungen auf Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen zusammenhängen, zeigt das Schaubild aus Leifiphysik sehr schön.
Im anderen Bild vom DESY sieht man noch einmal alle Familien aus Elementarteilchen.

Im nächsten Post erfahren wir etwas mehr über das eigentliche Standardmodell.

credit: leifiphysik

credit: DESY

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