Elementarteilchen

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Erhaltungssätze

Die Dynamik der Wechselwirkungen unter Elementarteilchen lässt sich anhand von Bewegungsgleichungen beschreiben, die Verallgemeinerungen der drei Newton’schen Fundamentalsätze der Dynamik sind (siehe Mechanik). Diesen Sätzen zufolge können Energie, Impuls und Drehimpuls weder erzeugt noch vernichtet werden, diese bleiben erhalten. Jede dieser physikalischen Größen kann in jede andere überführt werden, die Gesamtenergie wird jedoch unveränderlich erhalten, ist also stets konstant. Diese Erhaltungssätze behalten für Elementarteilchen ihre volle Gültigkeit, doch kommen weitere Erhaltungssätze hinzu, die erst entdeckt wurden und die entscheidende Rollen für Aufbau und Wechselwirkungen von Kernen und Elementarteilchen spielen.

5.1

Symmetrie und Quantenzahlen

Bis zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden Symmetrieprinzipien in der Physik vor allem in der Kristallographie angewandt. Mit dem zunehmenden Erfolg der Quantentheorie bei der Beschreibung des Atoms und atomarer Vorgänge fanden Physiker seit dem Jahr 1925, dass Symmetriebetrachtungen im Bereich der Atome und Elementarteilchen zu Quantenzahlen und Auswahlregeln führten. Quantenzahlen beschreiben atomare Zustände, und Auswahlregeln bestimmen Übergänge zwischen atomaren Zuständen. Weil Quantenzahlen und Auswahlregeln zur Beschreibung atomarer und subatomarer Gegebenheiten unerlässlich sind, nehmen Symmetriebetrachtungen eine Schlüsselposition in der Physik der Elementarteilchen ein.

5.2

Parität (P)

Die meisten Symmetrieprinzipien sagen aus, dass ein bestimmtes Phänomen unverändert bleibt, wenn bestimmte Raumkoordinaten in bestimmter Weise geändert werden. Das Prinzip der Raumspiegelungssymmetrie, man spricht auch von Erhaltung der Parität P, besagt, dass alle Naturgesetze gültig bleiben, wenn für alle Teilchen die drei Raumkoordinaten x, y und z gespiegelt (allgemein an einem Punkt), d. h. ihre Vorzeichen umgekehrt werden, also -x, -y und -z (so genannte P-Symmetrie). Bleibt durch diese Spiegelung der mathematische Ausdruck, mit dem sich das System beschreiben lässt, gleich, so spricht man von einer geraden bzw. positiven Parität und ordnet dem System die Paritätsquantenzahl +1 zu. In diesem Fall geht das System durch die Operation in sich selbst über. Ändert sich dagegen durch die Operation das Vorzeichen des mathematischen Ausdruckes, so liegt eine ungerade bzw. negative Parität vor – hier wäre die Paritätsquantenzahl -1 zuzuordnen. In letzterem Fall würde das System also in sein Inverses übergehen.

5.3

Ladungsumkehr (C)

Bei der Ladungsumkehr C (auch Ladungskonjugation) gehen die Teilchen des beobachteten Systems durch die oben beschriebene Spiegelung in ihre Antiteilchen über (so genannte C-Symmetrie). Bei diesem Vorgang ändern sich lediglich die Vorzeichen von elektrischem sowie magnetischem Moment. Die anderen Größen wie Masse, Spin und Lebensdauer bleiben von der Konjugation unberührt.

5.4

Zeitumkehr (T)

Die Definition des Symmetrieprinzips der Zeitumkehr T ist ähnlich, d. h., Naturgesetze behalten ihre Gültigkeit, egal ob die Zeit vorwärts oder rückwärts verläuft (so genannte T-Symmetrie). Hierbei ändern sich durch die Spiegelung die Vorzeichen der Bewegungsgrößen aller in dem betreffenden System enthaltenen Komponenten.