Teilchenzoo – Vielfalt und Ordnung

Hallo, hier ist wieder Doktor Psi. Heute beschäftigen wir uns mit einem Zoo. Jedoch keinem, der Tiere enthält, sondern Teilchen. Und wieso wir hier von einem Zoo reden, wollen wir in diesem Zusammenhang und in diesem Video erklären. Dabei bewegen wir uns Größenbereichen, deren Ausdehnung bei etwa 10-15 Meter und kleiner liegt. Wir müssen also sehr genau hinsehen und mal schauen, was wir alles entdecken werden. Dass Atome aus Elektronen, Protonen und Neutronen bestehen, ist bekannt. Sind jedoch diese Teilchen kleine, strukturlose Kugeln oder haben sie auch eine innere Struktur? Eine Antwort auf diese Frage wurde mit Hilfe von Streuexperimenten analog denen von Rutherford gefunden. Wir sehen hier ein solches Experiment: Werden Protonen mit sehr schnellen Elektronen durchdrungen, so zeigte sich, dass die Ladung innerhalb der Protonen nicht gleichmäßig verteilt ist, und zwar positive Ladungen gleichmäßig verteilt, sie enthalten auch negative Ladungen. Und diese verschiedenen Ladungsarten wurden auch bei Neutronen, die ja normalerweise neutral sind, entdeckt. Diese Teilchen oder diese Anordnung von Ladungen innerhalb der Protonen und Neutronen erhielt den Namen „Quarks“, ein Kunstwort aus Finnegan’s Wake von James Joyce. Wir sehen hier in den Protonen und Neutronen sind jeweils drei Quarks nachgewiesen, zwei sogenannte u-Quarks mit positiver Ladung, nämlich zwei Drittel der Elementarladung und ein drittes, ein mit negativer Ladung versehenes Elementarteilchen, also minus ein Drittel e, das mit d bezeichnet wird, also ein d-Quark. Und diese Abbildung verdeutlicht die experimentellen Ergebnisse. Und weitere Streu- beziehungsweise Kollisionsexperimente in Hochenergie-Teilchenbeschleunigern und neuesten Teilchen-Nachweismethoden führte zur Identifikation vier weiterer Quarks. Wir haben das Strange-Quark mit der Ladung minus ein Drittel e, das Charme-Quark mit der Ladung plus zwei Drittel e, ein Bottom-Quark und ein Top-Quark, wir sehen die entsprechenden Ladungen hier. Und zu jedem dieser insgesamt sechs Quarks gibt es Anti-Quarks, die sich jeweils im Vorzeichen der Ladung vom entsprechenden Quark unterscheiden. Einzelne freie Quarks sind bisher noch nicht festgestellt worden. Und Quarks treten immer in Kombination von zwei oder drei Quarks auf und sie bilden daher die Struktur vieler möglicher Teilchen des sogenannten Teilchenzoos, wir sprechen hier von einem Teilchenzoo, weil inzwischen mehr als 200 Elementarteilchen entdeckt wurden. Und um Ordnung in diesen Teilchenzoo hineinzubringen, hat man die Elementarteilchen in zwei Gruppen eingeteilt. Wir sehen hier drei Teilchengenerationen und wenn wir genau hinsehen, sehen wir insgesamt zwölf Elementarteilchen mit ihren Eigenschaften, sie sind unterteilt in zwei Gruppen. Einmal die Quarks und dann die Leptonen und wir sehen innerhalb dieser kleinen Kästchen die entsprechende Bezeichnung der einzelnen Elementarteilchen. Nun, wir wollen gleich sehen, wie es in der nächsten Szene weitergeht. Ja, neben den Hadronen, die aus Quarks bestehen, gibt es auch Teilchen ohne innere Struktur, das sind die Leptonen. Sie sind vergleichsweise leichtere Teilchen, wir sehen hier die Anordnung in unserem Standardmodell. Durch diese Teilchen, also Quarks und Leptonen, wird ein Modell beschrieben, das man eben als Standardmodell bezeichnet und das den Aufbau der Materie zum Inhalt hat. Und zu diesem Standardmodell, wir haben ja hier nur die Teilchennamen und ihre Bezeichnung angegeben, gehören noch ihre Massen und auch die Energien, beziehungsweise Masse und Energie sind natürlich äquivalent und die Wechselwirkung der Teilchen untereinander. Aber wenn wir das hier erzählen würden, würde es viel zu lange dauern. Noch einmal zurück zu den Hadronen. Die Hadronen wandeln sich bei hochenergetischen Stoßprozessen wieder in andere Teilchen um. Wir haben hier eine Abbildung, die ein sogenanntes Baryonen-Oktett zeigt. Diese Abbildung zeigt wie sich Protonen, also unter anderem wie sich Protonen und Neutronen in andere Teilchen umwandeln. Es gibt also eine ganz große Anordnung dieser Umwandlungsprozesse, aber das hier im Einzelnen zu beschreiben, da reicht eigentlich die Zeit nicht aus. Aber wir wollen noch ein wenig über andere Eigenschaften dieser Teilchenumwandlungsprozesse uns anschauen. Die oben angesprochenen Wechselwirkungsprozesse mit der Entstehung neuer Teilchen, die laufen nicht willkürlich ab, für sie gelten fundamentale Erhaltungssätze. So zum Beispiel solche für Gesamtenergie, Gesamtimpuls, elektrische Ladung, aber auch für Baryonenanzahl und Leptonenanzahl. Eine weitere Eigenschaft, die in diesem Zusammenhang diskutiert werden müsste, ist die Einhaltung beziehungsweise Verletzung von Symmetrien. Das wären also Prozesse, deren Ablauf unabhängig, beziehungsweise abhängig von zum Beispiel einer Spiegelung oder bestimmten Drehungen verlaufen, aber wie immer, die Zeit reicht dafür nicht aus. Daher zum Abschluss noch eine Anmerkung zum Higgs-Teilchen beziehungsweise zum Higgs-Feld, das in der letzten Zeit gelegentlich diskutiert wurde. Noch einmal zurück zu unserem erwähnten Standardmodell. In seiner ursprünglichen Form sind dort die angegebenen Teilchen ohne Masse notiert. Anders formuliert, woher haben eigentlich diese Elementarteilchen ihre Masse? Dieses Problem löste der schottische Physiker Peter Higgs im Jahre 1964. Er nahm an, dass das Vakuum nicht leer ist, sondern mit einem Feld durchsetzt ist. Und dieses Feld kann man sich als eine Art zähe Flüssigkeit vorstellen. Durchsetzt nun ein masseloses Teilchen diese zähe Flüssigkeit, so wird es abgebremst. Es wird so abgebremst, als würde es zum Beispiel durch Honig laufen. Damit wird dieses Teilchen träge und Trägheit und Masse sind ja miteinander verknüpft. Wir kennen das aus der Kinematik. Damit enthält eben ein Teilchen, das träger wird, auf diese Weise eben seine Masse. Und es geht noch weiter: So wie das elektrische Feld einem Teilchen der Elementarladung zugeschrieben wird, gibt es auch für das gerade eben erwähnte Higgs-Feld ein Teilchen, das Higgs-Teilchen, präziser auch Higgs-Boson genannt. Dieses Teilchen gilt inzwischen als nachgewiesen, der Nobelpreis wurde Higgs verliehen, seine Ladung ist neutral und seine Masse wird mit circa 2,3*10-25 Kilogramm angegeben. Damit ist es also ein nachgewiesenes Teilchen, dem sogar eine Energie und eine Masse zugeordnet werden kann. Damit ist also insgesamt ein Überblick über die Elementarteilchenphysik gegeben. Merken lässt sich diese Vielfalt kaum. Wichtig ist aber, dass diese Physik einen Schlüssel für die Entwicklung unseres Universums geben kann. Genauer für die Zeit nach dem Urknall. Natürlich bleiben bei dieser ganzen Geschichte einige Fragen offen. Und einige Fragen, die offen sind, lauten etwa: Welche Masse haben Neutrinos? Warum gibt es die oben angegebenen drei Generationen von Elementarteilchen? Und wie erklärt man die sogenannte dunkle Materie und dunkle Energie? Darüber haben wir noch gar nicht gesprochen. Und warum besteht eigentlich unser Weltall zu einer weit überwiegenden Mehrheit aus Materie und nicht aus Antimaterie. Sie gibt es beide, aber warum überwiegt das eine? Ja, das war's für heute. Das war ein kleiner Einblick in die Physik der Elementarteilchen. Ich hoffe, du hattest ein wenig Freude und Spaß daran. Und vielleicht sehen wir uns bald wieder bei einem Video von Doktor Psi, tschüss.