Subatomares Teilchen

Unter einem subatomaren Teilchen versteht man ein Teilchen, das kleiner (aber nicht unbedingt leichter) ist als ein Atom. Mit subatomaren Teilchen beschäftigen sich vor allem die Teilchenphysik und die Kernphysik. Die subatomaren Teilchen können in Elementarteilchen und zusammengesetzte Teilchen unterschieden werden.

Die subatomaren Teilchen wurden im 20. Jahrhundert intensiv untersucht. Aufgrund der Vielfalt an entdeckten Teilchen wurde phasenweise auch vom sogenannten Teilchenzoo gesprochen. Erst durch das Konzept der Quarks gelang es, die interne Struktur der Hadronen zu verstehen. Die Entwicklung mündete im seit knapp 50 Jahren bestehenden Standardmodell.

Aufgrund ihrer Kleinheit treten in den Eigenschaften und Reaktionen der subatomaren Teilchen quantenphysikalische Phänomene deutlich zutage, z. B. der Welle-Teilchen-Dualismus, die Unschärferelationen, Vakuumfluktuationen und Erzeugungs- bzw. Vernichtungsprozesse.

Arten von subatomaren Teilchen

Elementarteilchen

Elementarteilchen des Standardmodells

Bei den bestätigten Elementarteilchen des Standardmodells unterscheidet man:

Zusammengesetzte Teilchen

Bei den zusammengesetzten Teilchen ist die Situation komplizierter. Die zusammengesetzten Teilchen, die subatomare Dimensionen haben, bestehen alle aus Kombinationen von Quark-Elementarteilchen. Die Quarks selbst können nicht alleine beobachtet oder gemessen werden, sondern lediglich ihre Zerfallsprodukte. Man unterscheidet:

Hadronen:
- Mesonen: Quark-Antiquark-Paare
- Baryonen: 3 Quarks. Dazu gehören auch die Nukleonen Proton und Neutron
- Exotische Hadronen: Tetraquarks und Pentaquarks
sonstige zusammengesetzte Teilchen:
- Atomkerne

Auf der atomaren Ebene, also über der subatomaren Ebene, existieren neben den gewöhnlichen Atomen und Molekülen auch die sogenannten exotischen Atome, welche durch Kombination der subatomaren Hadronen und weiteren Elementarteilchen entstehen. Ein Beispiel für ein exotisches Atom ist myonischer Wasserstoff.

Bekannte Beispiele

Elementarteilchen: Photon, Elektron
Zusammengesetzt: Proton, Neutron, Alphateilchen oder ganz allgemein Atomkerne

Fermionen und Bosonen

Besetzungszahl

\langle n\rangle

als Funktion der Differenz zwischen Energie

E

und chemischem Potential

\mu

für Bosonen (Bose-Einstein-Statistik, obere Kurve)
bzw. Fermionen (Fermi-Dirac-Statistik, untere Kurve),
jeweils im Spezialfall der Wechselwirkungsfreiheit und bei konstanter Temperatur

T>0

.

Eine andere wichtige Unterscheidung der subatomaren Teilchen ist die in Fermionen und Bosonen. Diese Klassen unterscheiden sich in zwei grundlegenden Eigenschaften:

In jedem Quantenzustand eines Systems, z. B. eines Atoms, gibt es nur höchstens ein Fermion einer gegebenen Art (siehe Pauli-Prinzip); für Bosonen gilt diese Beschränkung nicht. Dieser Unterschied wird dadurch beschrieben, dass für Fermionen und Bosonen verschiedene Wahrscheinlichkeitsverteilungen gelten, die Fermi-Dirac-Statistik beziehungsweise die Bose-Einstein-Statistik. Der Spin eines Teilchens ist mit der Statistik über das Spin-Statistik-Theorem verknüpft. Somit unterscheiden sich Fermionen und Bosonen auch durch ihre halbzahlige bzw. ganzzahlige Spinquantenzahl.
Die elementaren Fermionen, also Leptonen und Quarks, können nur zusammen mit einem Antiteilchen erzeugt oder vernichtet werden. Diese Beobachtung, die die Stabilität von Materie erklärt, wird durch Erhaltungssätze der Teilchenanzahl (Baryonenzahl, Leptonenzahl) beschrieben. Elementare Bosonen können dagegen einzeln entstehen und vergehen.

Alle Bestandteile des Atoms, Proton, Neutron und Elektron, sind Fermionen. Erst das Pauli-Prinzip macht den Aufbau der Atomkerne und der Elektronenhüllen verständlich. Auch bei den Elementarteilchen handelt es sich meist um Fermionen. Lediglich die Eichbosonen (inkl. dem Photon) und das Higgs-Teilchen sind Bosonen. Unter den zusammengesetzten Teilchen gehören die Mesonen zu den Bosonen.

Wichtige Phänomene auf der subatomaren Ebene

Radioaktivität
Kernfusion
Photoelektrischer Effekt
Stabilität des Atomkerns: die Masse des Atomkerns entsteht hauptsächlich durch die Bindungsenergie der Quarks.

Bedeutende Entdeckungen subatomarer Teilchen

Subatomares Teilchen	Zusammensetzung	theoretisches Konzept	experimentell entdeckt	Kommentare
Elektron	elementar (Lepton)	1874: G. Johnstone Stoney	1897: J. J. Thomson	Minimale Einheit für die elektrische Ladung, weshalb Stoney diesen Namen im Jahr 1891 vorgeschlagen hat.^[1]
Alphateilchen	zusammengesetzt (Atomkern)	-	1899: Ernest Rutherford	Im Jahre 1907 wurde durch Rutherford und Thomas Royds bestätigt, dass es sich um Heliumkerne handelt.
Photon	elementar (Eichboson)	1900: Max Planck	1905: Albert Einstein als Licht (Photoeffekt) oder 1899: Ernest Rutherford als Gammastrahlung	nötig zum Verständnis des Schwarzkörperproblems der Thermodynamik
Proton	zusammengesetzt (Baryon)	-	1919: Ernest Rutherford	der Kern des Wasserstoffatoms und das erste Nukleon der Atomkerne
Neutron	zusammengesetzt (Baryon)	1918, eventuell bereits 1917: Ernest Rutherford	1932: James Chadwick	das zweite Nukleon der Atomkerne
Positron	elementar (Antilepton)	1928: Paul Dirac	1932: Carl D. Anderson	Antiteilchen des Elektrons, erster Nachweis von Antimaterie
Pion	zusammengesetzt (Meson)	1935: Hideki Yukawa	1947: César Lattes, Giuseppe Occhialini und Cecil Powell	Pion-Austauschmodell beschreibt Kräfte im Atomkern.
Myon	elementar (Lepton)	-	1936: Carl D. Anderson	-
Kaon	zusammengesetzt (Meson)	-	1947	Entdeckt in der kosmischen Strahlung. Das erste Teilchen mit einem Strange-Quark.
Lambda-Baryon	zusammengesetzt (Baryon)	-	1950, möglicherweise aber schon 1947: Universität Melbourne^[2]	das erste entdeckte Hyperon
Neutrino	elementar (Lepton)	1930: Wolfgang Pauli, benannt durch Enrico Fermi	1956: Clyde Cowan, Frederick Reines	nötig um das Energiespektrum beim Betazerfall zu verstehen
Quarks (up, down, strange)	elementar	1964: Murray Gell-Mann, George Zweig	-	indirekt bestätigt, da dieses Modell den Teilchenzoo erklärt
Charm-Quark	elementar (Quark)	1970	1974: sowohl durch Burton Richter et al. am Stanford Linear Accelerator Center^[3] als auch Samuel Chao Chung Ting et al. am Brookhaven National Laboratory.^[4]	Bestandteil des J/ψ-Mesons
Bottom-Quark	elementar (Quark)	1973	1977: Fermilab, Gruppe von Leon Max Lederman	Bestandteil des Υ-Mesons
W-Bosonen und Z-Boson	elementar (Eichboson)	1968: Glashow, Weinberg, Salam	1983: CERN	Eigenschaften in den 1990er Jahren bestätigt
Top-Quark	elementar (Quark)	1973	1995	Lebensdauer ist zu kurz, um direkt in einem Hadron nachgewiesen werden zu können
Higgs-Boson	elementar	1964: Peter Higgs et al.	2012: CERN	spätestens seit 2014 bestätigt^[5]

Siehe auch

Literatur

R. P. Feynman und S. Weinberg: Elementary Particles and the Laws of Physics: The 1986 Dirac Memorial Lectures. Cambridge University Press, 1987.
Brian Greene: [[The Elegant Universe]]. W. W. Norton & Company, 1999, ISBN 0-393-05858-1.
Robert Oerter: The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics. Plume, 2006.
Bruce A. Schumm: Deep Down Things: The Breathtaking Beauty of Particle Physics. Johns Hopkins University Press, 2004, ISBN 0-8018-7971-X. .
Martinus Veltman: Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics. World Scientific, 2003, ISBN 981-238-149-X.
G. D. Coughlan, J. E. Dodd und B. M. Gripaios: The Ideas of Particle Physics: An Introduction for Scientists. 3. Auflage, Cambridge University Press, 2006. An undergraduate text for those not majoring in physics.
David J. Griffiths: Introduction to Elementary Particles. Wiley, John & Sons, Inc., 1987, ISBN 0-471-60386-4.
Gordon L. Kane: Modern Elementary Particle Physics. Perseus Books, 1987, ISBN 0-201-11749-5.

Einzelnachweise

↑ Otto Klemperer: Electron Physics: The Physics of the Free Electron. Academic Press, 1959.
↑ The Strange Quark
↑ SLAC-SP-017 Collaboration (J. E. Augustin et al.): Discovery of a Narrow Resonance in e⁺e⁻ Annihilation. In: Physical Review Letters. Band 33, 1974, S. 1406–1408 (online)
↑ E598 Collaboration (J. J. Aubert et al.): Experimental Observation Of A Heavy Particle J. In: Physical Review Letters. Band 33, 1974, S. 1404–1406 (online)
↑ CERN experiments report new Higgs boson measurements. cern.ch (23. Juni 2014)

[1] Otto Klemperer: Electron Physics: The Physics of the Free Electron. Academic Press, 1959.

[2] The Strange Quark

[3] SLAC-SP-017 Collaboration (J. E. Augustin et al.): Discovery of a Narrow Resonance in e⁺e⁻ Annihilation. In: Physical Review Letters. Band 33, 1974, S. 1406–1408 (online)

[4] E598 Collaboration (J. J. Aubert et al.): Experimental Observation Of A Heavy Particle J. In: Physical Review Letters. Band 33, 1974, S. 1404–1406 (online)

[5] CERN experiments report new Higgs boson measurements. cern.ch (23. Juni 2014)

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