Wissenschaft

Die Grundlagen der Elementarteilchenphysik

Das Konzept der fundamentalen, unteilbaren Teilchen geht auf die alten Griechen zurück (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. Die 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

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

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 das beurteilen können, scheinen sie nicht aus Kombinationen kleinerer Partikel zu bestehen.

 

Materie und Kräfte abbauen

Alle Elementarteilchen in der Physik werden entweder als Fermionen oder als Bosonen klassifiziert . Die Quantenphysik zeigt, dass Teilchen einen intrinsischen „Spin“ oder Drehimpuls ungleich Null haben können.

Ein Fermion (benannt nach Enrico Fermi. ist ein Teilchen mit einem halbzahligen 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

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 beiden 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 wie Protonen und Neutronen bestehen. Quarks sind fundamentale Teilchen, die durch alle vier fundamentalen Kräfte der Physik interagieren : Schwerkraft, Elektromagnetismus. schwache Wechselwirkung und starke Wechselwirkung. 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, das als Neutrino bezeichnet wird. Somit ist das Elektronenlepton das schwache Dublett von Elektron und Elektronenneutrino.

 

Bosonen

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.

 

Verbundpartikel

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

  • 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 modernen Chemie .

 

Partikelklassifizierung

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 Verwechseln von Bosonen und Baryonen ist beispielsweise viel einfacher als das Verwechseln 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.

Herausgegeben von Anne Marie Helmenstine, Ph.D.

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