1.

Einleitung

Elementarteilchen, ursprünglich Materieeinheiten, von denen man glaubte oder vorläufig annahm, dass sie die grundlegenden Bausteine der Materie seien. Im Prinzip sind Elementarteilchen die Bausteine der Materie, die sich nicht in noch kleinere Einheiten zerlegen lassen.

Lange Zeit galten die Atome als die kleinsten Grundeinheiten der Materie. Jedoch gelang es mit der technischen Weiterentwicklung von zum Teil hochkomplizierten Mess- und Forschungsanlagen immer weiter in den Mikrokosmos der Materie vorzudringen und immer kleinere Teilchen zu entdecken. Mittlerweile ist eine beachtliche Anzahl von verschiedenen Elementarteilchen bekannt, die teilweise in großen Gruppen eingegliedert werden (siehe unten). Heutzutage fasst man im Allgemeinen unter dem Begriff Elementarteilchen alle subatomaren Teilchen zusammen. Der Forschungs- und Wissenschaftszweig Elementarteilchenphysik – die Lehre von den Elementarteilchen und ihren Wechselwirkungen – wird manchmal auch als Hochenergiephysik bezeichnet. Dies hängt mit den teilweise extrem hohen Energieaufwendungen zusammen, die gemäß der Heisenberg’schen Unschärferelation notwendig sind, um in subatomaren Abständen präzise Untersuchungen anstellen zu können. Siehe auch Physik

2.

Geschichte der Teilchenphysik

Die Teilchenphysik stellt die derzeit letzte Stufe in der Erforschung immer kleinerer Bausteine der Materie dar. Vor dem 20. Jahrhundert befassten sich Physiker mit den Eigenschaften der Materie hauptsächlich im makroskopischen Bereich. Im späten 19. Jahrhundert aber zog die Physik der Atome und Moleküle ihr Interesse auf sich. Atome und Moleküle haben Durchmesser von ungefähr 10^-10 Metern, und Untersuchungen an deren Aufbau leisteten der Quantentheorie zwischen 1925 und 1930 großen Vorschub. In den frühen dreißiger Jahren begannen Physiker dann, der Gestalt von Atomkernen auf den Grund zu gehen. Diese haben Durchmesser von 10^-15 bis 10^-14 Metern. Mit diesen Erkenntnissen waren auch die Grundlagen erschlossen, um praktischen Gebrauch von der Kernenergie machen zu können, etwa in Form von Kernkraftwerken oder Kernwaffen. In der Zeit nach dem 2. Weltkrieg wurde aber auch die Notwendigkeit immer deutlicher, die Gestalt der Elementarteilchen gründlich zu erforschen, um den grundlegenden Aufbau der Atomkerne verstehen zu können.

3.

Einteilung

Heute sind mehrere hundert Elementarteilchen experimentell bekannt. Sie lassen sich in verschieden große Klassen einteilen. Hadronen und Leptonen sind nach der Kraftwechselwirkung klassifiziert, der sie unterliegen (siehe weiter unten). Die Übertragung dieser Kräfte oder Wechselwirkungen erfolgt über eine weitere Art von Teilchen, die so genannten Boten- oder Austauschteilchen. Beispiele hierfür wären die so genannten Eichbosonen (siehe begleitende Tabelle).

Protonen und Neutronen sind die Grundbestandteile von Atomkernen, die wiederum zusammen mit Elektronen Atome bilden. Photonen stellen die Einheit der elektromagnetischen Strahlung dar, wobei das Spektrum u. a. von den Radiowellen, über das sichtbare Licht bis hin zu den Röntgenstrahlen (siehe Röntgenstrahlung) reicht. Ein freies, also nicht in einem Kern gebundenes Neutron ist nicht stabil, sondern zerfällt in drei Einheiten: in ein Proton, ein Elektron und in ein Antielektronneutrino (siehe Neutrino). Dieser Vorgang lässt sich durch folgende Gleichung wiedergeben:

n→p + e + e

Das freie Neutron hat eine mittlere Lebensdauer von 917 Sekunden. Im Verband mit Protonen ist das Neutron aber stabil, und Atomkerne, wie etwa von Sauerstoff 16 oder von Eisen 56, lassen sich als stabile Kerne aufbauen. Die meisten der bis heute bekannten Elementarteilchen wurden seit 1945 zum Teil in der kosmischen Höhenstrahlung (siehe kosmische Strahlen) entdeckt, zum Teil in Hochenergiebeschleunigern (siehe Teilchenbeschleuniger). Darüber hinaus werden noch viele weitere Teilchen als vorhanden angenommen, die bislang aber noch nicht experimentell nachgewiesen werden konnten (siehe Teilchendetektoren). Das Graviton ist ein Beispiel hierfür, von dem man annimmt, dass es die Gravitationskraft überträgt. Siehe auch Gravitationswellen

Im Jahr 1930 sagte der britische Physiker Paul A. M. Dirac auf rein theoretischen Grundlagen voraus, dass es zu jedem Elementarteilchen genau ein zugehöriges Antiteilchen geben muss (siehe Antimaterie). Im Jahr 1932 fand der amerikanische Physiker Carl D. Anderson das Antiteilchen des Elektrons und nannte es Positron. Das Antiproton konnte 1955 von den amerikanischen Physikern Owen Chamberlain und Emilio Segrè nachgewiesen werden. Inzwischen weiß man, dass Diracs Vorhersage für alle Elementarteilchen gültig ist, wobei es aber auch solche wie das Photon gibt, die selbst ihr eigenes Antiteilchen sind. In der physikalischen Notation ist es üblich, die Symbole für Antiteilchen mit einem Querbalken zu versehen, und man schreibt etwa _e für das Antiteilchen zu v_e.

Weiterhin ist es üblich, Teilchen auch nach dem Betrag ihrer Spins (Eigendrehimpulse) einzuteilen. Diese Einteilung findet Anwendung auf Bosonen und Fermionen, wobei der Spin von Bosonen ein ganzzahliges Vielfaches, der Spin von Fermionen dagegen ein halbzahliges und ungerades Vielfaches einer bestimmten Naturkonstanten beträgt.

4.

Wechselwirkungen

Elementarteilchen üben Kräfte aufeinander aus, und es werden ständig neue gebildet sowie paarweise vernichtet. Diese Kraftwirkungen und die Vorgänge der Erzeugung und Paarvernichtung hängen miteinander zusammen und werden zusammenfassend Wechselwirkungen genannt. Vier Arten der Wechselwirkung sind bekannt:

Die starke Wechselwirkung ist die Stärkste von diesen Arten. Sie hält beispielsweise Protonen und Neutronen zusammen und ermöglicht auf diese Weise den Aufbau von Atomkernen. Die darauf folgende Wechselwirkung ist die elektromagnetische Wechselwirkung. Diese Kraft ist in erster Linie dafür verantwortlich, in Atomen oder Molekülen die Elektronen an die Atomkerne zu binden. Die elektromagnetische Wechselwirkung ist deshalb von so großer praktischer Bedeutung, weil bei allen chemischen Reaktionen eine Umstrukturierung der elektromagnetischen Bindungen von Elektronen an Kerne erfolgt. Erheblich schwächer ist die so genannte schwache Wechselwirkung, die den radioaktiven Zerfall von Atomen steuert. In den Jahren von 1896 bis 1898 beobachteten und entdeckten die französischen Physiker und Chemiker Antoine H. Becquerel, Pierre Curie und Marie Curie das Phänomen der Radioaktivität. Die Gravitationswechselwirkung schließlich ist zwar die schwächste von allen, ist aber in vielen Belangen von sehr weit reichender Bedeutung.

5.

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.

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.

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.

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.

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.

5.

Symmetrie und Stärke von Wechselwirkungen

Man weiß, dass die verschiedenen Symmetrien, die bei den vier Wechselwirkungen zu beobachten sind, ziemlich verschieden voneinander sind. Vor 1957 glaubte man, dass die Symmetrie der Raumspiegelung (auch Paritätserhaltung) bei allen Wechselwirkungen auftritt. Im Jahr 1956 zeigten die chinesisch-amerikanischen Physiker Tsung-Dao Lee und Chen-Ning Yang (beide erhielten 1957 den Nobelpreis für Physik), dass bis dahin die Gültigkeit der Paritätserhaltung nicht für die schwache Wechselwirkung untersucht wurde und schlugen mehrere Experimente hierzu vor. Eines davon wurde im darauf folgenden Jahr von der chinesisch-amerikanischen Physikerin Chien-Shiung Wu und ihren Mitarbeitern mit dem Ergebnis ausgeführt, dass die schwache Wechselwirkung keine Paritätserhaltung zeigt. Eine Folge war die Entdeckung, dass die bei der schwachen Wechselwirkung erzeugten Teilchen eine „Händigkeit” zeigen, d. h. eine feste Beziehung zwischen ihrem Eigendrehimpuls und ihrer Bewegungsrichtung. Insbesondere die Neutrinos v_e und v_µ, die nur an der schwachen Wechselwirkung und der Gravitation teilnehmen, haben stets einen „linkshändigen” Eigendrehimpuls, d. h., die Richtung des Spins zeigt entgegen der Richtung der Fortbewegung – in der Physik spricht man in diesem Fall auch von der Helizität.

Im Lauf der Zeit beobachtete man neben Prozessen die den aufgestellten Symmetrien folgten allerdings auch solche Abläufe, die diese Symmetrien verletzten. Ein Beispiel hierfür sind die Unregelmäßigkeiten in Bezug auf die so genannte CP-Symmetrie, die Forscher am Brookhaven National Laboratory (New York) im September 1997 beobachten konnten. (Die Kombination von Paritäts- und Ladungsumkehr fasst man in der Physik häufig unter dem Begriff CP-Symmetrie zusammen.) Als Forschungsobjekt wählten die Physiker instabile Elementarteilchen aus der Familie der Mesonen, die so genannten Kaonen. Sie zerfallen innerhalb eines Zehnmilliardstels einer Sekunde. Aber den Ergebnissen zufolge läuft der Zerfall geladener Kaonen auf andere Art und Weise ab als bei den Antikaonen. Dieses ungewöhnliche Wechselspiel dürfte es nach den früheren Vorstellungen eigentlich nicht geben, denn es verletzt die CP-Symmetrieregeln.

Trotz dieser Ergebnisse waren viele Experten davon überzeugt, dass die Naturgesetze einer Symmetrie folgen. Im Jahr 1964 entdeckten die amerikanischen Physiker James W. Cronin und Val L. Fitch mit ihren Mitarbeitern, dass auch die Symmetrie der Zeitumkehr bei der schwachen Wechselwirkung nicht beobachtet werden kann. Auch spätere Experimente brachten ähnliche Resultate. Jüngste Beispiele sind die Untersuchungen am CERN (Genf) und am Fermilab (Chicago) 1998. In beiden Fällen war das Verhalten von neutralen Kaonen Gegenstand des Interesses. Der T-Symmetrie zufolge müsste die Umwandlung eines neutralen Kaons in sein Antiteilchen genauso wahrscheinlich sein wie der umgekehrte Vorgang, die Umwandlung eines neutralen Antikaons in seinen Gegenpart. Zu diesem Zweck markierten die Forscher am CERN Kaonen und Antikaonen mit Hilfe anderer Teilchen und untersuchten die entsprechenden Zerfallsprodukte, die bei den jeweiligen Umwandlungen entstehen. Beim Vergleich, wie viel Kaonen in Antikaonen und wie viel Antikaonen in Kaonen umgewandelt wurden, konnten die Physiker signifikante Unterschiede feststellen. Als weiteres Ergebnis kam heraus, dass die Verletzung der T-Symmetrie in einer Größenordnung liegt, die der Größenordnung der CP-Verletzung entspricht, sie also aufzuheben vermag. Ähnliches brachten auch die Experten des Fermilabs zutage. In Fachkreisen geht man auf Grund dieser Resultate davon aus, dass die umfassende CPT-Symmetrie ihre Gültigkeit behält.

6.

Symmetrien und Quarks

Die Einteilung von Elementarteilchen beruhte auf deren Quantenzahlen und ging deshalb mit Symmetrieanschauungen einher. Durch die Anwendung dieser Betrachtungen kamen die amerikanischen Physiker Murray Gell-Mann und George Zweig im Jahr 1963 unabhängig voneinander zu dem Schluss, dass Baryonen und Mesonen aus grundlegenderen Bausteinen aufgebaut seien, die Gell-Mann Quarks nannte. Man ging von drei Quarks aus, von denen jedes sein zugehöriges Antiquark hat. Für das Quarkmodell der Baryonen und Mesonen liegen zahlreiche indirekte, sehr gute Beweise vor, besonders seit die amerikanischen Physiker Samuel C. C. Ting und Burton Richter im Jahr 1974 die J/Ψ-Teilchen entdeckten. Heute gilt es als erwiesen, dass es diese sechs Quarks tatsächlich alle gibt. Derzeit gelten die Quarks als die kleinsten Bausteine der Materie. Siehe auch Quantenchromodynamik; Gluonen; Quantenelektrodynamik

6.

Feldtheorie der Wechselwirkungen

Bis in die Mitte des 19. Jahrhunderts hinein herrschte die allgemeine Überzeugung, dass Wechselwirkungen bzw. Kräfte über Entfernungen hinweg wirken. Der englische Wissenschaftler Michael Faraday propagierte die Anschauung, dass Wechselwirkungen von einem Körper zu einem anderen durch ein Feld übertragen werden. Der schottische Physiker James Clerk Maxwell brachte die Gedanken Faradays in mathematische Form, woraus die erste Feldtheorie entstand, die die Maxwell-Gleichungen für elektromagnetische Wechselwirkung umfasst. Albert Einstein veröffentlichte seine Theorie zur Gravitationswechselwirkung im Jahr 1916 und begründete damit die zweite Feldtheorie. Inzwischen herrscht allenthalben Einigkeit darüber, dass die beiden anderen Wechselwirkungen, die starke und die schwache, ebenfalls über Feldtheorien zu beschreiben sind (siehe Einheitliche Feldtheorie).

Mit der Entwicklung der Quantenmechanik ergaben sich in den dreißiger und vierziger Jahren gewisse frühe Schwierigkeiten mit den Feldtheorien. Diese Schwierigkeiten bezogen sich auf die sehr starken Felder, die in der unmittelbaren Nähe eines Teilchens herrschen müssen, man sprach vom Divergenzproblem. Um einen Teil der damit verbundenen Schwierigkeiten abzubauen, entwickelten der japanische Physiker Shin-Ichiro Tomonaga, die amerikanischen Physiker Julian Schwinger und Richard Feynman sowie der angloamerikanische Physiker Freeman Dyson in den Jahren zwischen 1947 und 1949 eine Methode mit der Bezeichnung Renormierung. Die Methoden der Renormierung erwiesen sich als geeignet, Divergenzprobleme systematisch einzukreisen und zu beheben. So konnte zwar ein praktisch nutzbarer Erfolg verbucht werden, doch die Grundfesten der Feldtheorie lassen derzeit noch Wünsche offen.

1.

Vereinheitlichung der Feldtheorien

Die vier Wechselwirkungen unterscheiden sich erheblich voneinander. Albert Einstein unternahm bereits vor 1920 Anstrengungen, diese zu einem ganzheitlichen Regelwerk zu vereinigen. Im Jahr 1979 teilten sich die amerikanischen Physiker Sheldon Glashow und Steven Weinberg sowie der pakistanische Physiker Abdus Salam den Nobelpreis für Physik für ihre Arbeit über ein erfolgreiches Modell, das die Theorien der elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkungen vereint. Dies gelang durch Verbinden der Ideen der Eichsymmetrie, die der deutsche Mathematiker Hermann Weyl und der amerikanische Physiker Robert Laurence Mills entwickelt haben, mit den Überlegungen zur Symmetrieverletzung, die der japanisch-amerikanische Physiker Yoichiro Nambu, der britische Physiker Peter W. Higgs und andere aufstellten. Der holländische Physiker Gerardus ’t Hooft leistete einen sehr wichtigen Beitrag zu diesen Theorien, indem er hierfür das Renormierungskonzept durchgesetzt hat. Das Gesamtbild, das sich hieraus ergeben hat, nennt man das Standardmodell. Hadronen bestehen aus zwei oder drei Quarks und treten über das Austauschteilchen der starken Kernkraft, das Gluon, miteinander in Wechselwirkung. Leptonen stellen eine andere Teilchenklasse, die Elektronen und Neutrinos beinhaltet, dar und zeigen untereinander schwache Wechselwirkung, die durch so genannte W- oder Z-Teilchen übertragen wird. Siehe Große unifizierte Theorie; Eichfeldtheorie

2.

Ausblicke

Heute weiß man, dass Eigenschaften aller Wechselwirkungen weitgehend durch verschiedene Formen von Eichsymmetrien gegeben sind (siehe Symmetrie). Der erste Nutzen dieser Idee war Einsteins Suche nach einer Theorie der Gravitation, die sich in Bezug auf Koordinatentransformationen symmetrisch verhalten sollte. Dieser Ansatz lief im Jahr 1916 zur allgemeinen Relativitätstheorie auf. Sinnvollen Nutzen aus diesen Ideen wird in den kommenden Jahren sicherlich nur die Elementarteilchenforschung ziehen können. Mit Gedanken über Supersymmetrien und Supergravitation ist bereits ein erster Schritt getan in Richtung auf Erweiterung des Begriffs der Eichsymmetrie, um möglicherweise eine endgültige Vereinigung aller Wechselwirkungen zu erreichen.