Bei allen Über­legungen geht es darum, die Welt im Inner­sten zu verstehen, in seinen kleinsten Teil­chen, sprich seinen Elementar­teilchen. Bereits seit den 30er Jahren haben sich Wissen­schaftler Gedanken darüber gemacht, wie die Welt in der untersten Ebene wohl aussieht.

Dabei besteht auch ein Zusammen­hang zur Kosmologie, denn wenn wir über den Begriff „Vakuum” reden, spielen die Elementar­teilchen eine wesent­liche Rolle. Viele Physiker sind davon über­zeugt, dass es sich hierbei um die sogenannten virtuellen Teilchen handelt. Wenn man das ganz Große verstehen will, muss man auch das ganz Kleine verstehen.

Ein Modell, welches gegen­wärtig diese Elementar­teilchen-Theorie am besten beschreibt, ist das Standard­modell. Darüber hinaus gibt es noch eine weiter­gehende Theorie, z. B. die String-Theorie. Mit ihr versucht man bessere Erklärungen für andere Effekte oder Phänomene zu geben.

Unsere stoffliche Welt, die wir jeden Tag um uns herum betrachten, besteht aus Atomen, die sich typischer­weise in Kristall­struktur anordnen. Das heißt, sie sind abgesehen von Versetzungs­linien regel­mäßig angeordnet. Die Störungen in der Symmetrie sind im Allge­meinen nur marginal.

Jedes einzelne Atom wiederum besteht aus einem Kern, welches von einer „Hülle” umgeben ist. Etwas zwischen 1 oder 100 Elektronen schwirren in so einer Hülle um den Atomkern.

Der Kern besteht aus den sogenannten Nukleonen, die sich auf­teilen in Protonen(+) und Neutronen. Die Protonen sind für die Ladung verant­wortlich, welche die negativ geladenen Elektronen(−) auf ihren Bahnen hält. Die Elektronen dagegen spiralen auf definierten Bahnen um den Kern.

Ein Atom hat einen typischen Durch­messer von 1 Ångström (Å) (10^-10m). Das entspricht etwa 1 nm, also sehr ... sehr klein. Der Kern seiner­seits ist gerade mal 1 Femtometer (fm) (10^-15 m) groß, also nochmals um 5 Größenordnungen kleiner.

Seit den 60er Jahren glaubte man, dass sich ein solches Nukleon wiederum aus 3 Quarks zusammen­setzt. In den 70er Jahren hat man es genauer unter­sucht und schließ­lich in den 80er Jahren verifiziert. Diese Quarks sind die klein­sten Teil­chen, was aber nicht heißt, dass sie nicht dennoch eine innere Struktur auf­weisen können. Diese Über­legungen gehen aber schon in Richtung String-Theorie.

Das Standard­modell beschreibt drei Theorien, wie die drei vorherr­schenden Grund­kräfte mit­einander wechsel­wirken. Jede dieser Kräfte erzeugt ein Feld und zu diesem Feld gehört ein Teil­chen, welches diese Kraft vermit­telt. Diese vermit­telnden Teilchen werden auch als „Feld­teilchen” bezeichnet.

Das ist 1. die Quanten­chromo­dynamik (QCD), auch „Starke Wechsel­wirkung” genannt, wie sie bei den Atom­kernen zu beobachten ist. Sie beschreibt, wie die Quarks im Kern mitein­ander wechsel­wirken und wie sie die Nukleonen im Kern zusammen­halten. Die Quarks spielen im Grunde „nur” bei der Quanten­chromo­dynamik in ihren unter­schied­lichsten Ausprä­gungen eine Rolle.

Dann 2. die Quanten­elektro­dynamik (QED), auch „Elektro­magne­tische Wechsel­wirkung” genannt. Sie beschreibt, wie das elektro­magne­tische Feld aufgebaut ist. Die Quanten­elektro­dynamik beinhaltet die Ladung, bestehend aus den Elek­tronen und Photonen. Die Photonen sind in diesem Fall das vermit­telnde Teil­chen, welches das Licht über­trägt.

Und 3. die Schwache Kraft, wie sie beim Kern­zerfall zu beobachten ist. Sie beschreibt, wie die Radio­aktivität wirkt. Die „Vermittler” der Schwachen Kraft unter­teilen sich in W-Bosonen und Z-Bosonen.

Abb. 1: Das Standardmodell

Man unter­teilt die Elementar­teilchen grob in zwei „Gruppen”, in Fermionen und in Bosonen. Die Teilchen, welche keine vermit­telnde Funktion über­nehmen, also die Elek­tronen und die Quarks gehören zu den Fermionen und sind für die Masse, sprich die stoff­liche Welt verant­wortlich. Die Bosonen dagegen vermit­teln die Kräfte zwischen den Fermionen.

Die Fermionen wiederum teilen sich in drei „Familien” auf, deren Unter­schied darin besteht, dass die jewei­ligen Massen der Quark­teilchen in der nach­folgenden Familie wesent­lich größer sind, als in der vorherigen. Wenn man hierbei von einer Masse spricht, dann ist damit Elek­tronen­volt (eV) gemeint. Die Ladung kann je nach Familie bis zu einigen Milliarden Elek­tronen­volt (GeV) betragen.

Die Energie versucht natür­lich den energe­tisch günstig­sten Zustand einzu­nehmen. Und das ist der Zustand mit der gering­sten Masse. Das sieht man bereits daran, dass wir Menschen bestrebt sind, möglichst wenig Energie aufzu­wenden, um ein Ergebnis zu erzielen. Insofern besteht die Natur aus Quarks der leich­testen Art, also aus Teil­chen der ersten Familie.

In diesem Zusammen­hang ist zu erwähnen, dass die Fermionen immer den Spin ½ haben, während die Bosonen als Kräfte­vermittler immer einen ganz­zahligen Spin haben. Entweder bei den Photonen und Higgs-Teilchen den Spin Null oder bei den W-, Z-Bosonen und Gluonen den Spin Eins. Das noch nicht entdeckte aber vermutete Graviton hätte in diesem Fall den Spin Zwei.

Also, Fermionen bilden die Teil­chen mit einer Masse, während die Bosonen die Kräfte zwischen den Elementar­teilchen vermitteln.

Was läuft im Detail im Inneren eines Atom­kerns ab, bzw. wie sehen die Massen im Einzelnen aus? Im Kern gibt es, wie bereits erwähnt die Protonen und Neutronen. Ein solches Proton setzt sich zusammen aus 2x „Up-Quark” und 1x „Down-Quark”. Die Starke Kraft, die zwischen den 3 Quarks wirkt, wird durch die Gluonen (Bosonen) vermittelt.

Während die Masse eines solchen Protons 938 MeV ausmacht, beträgt die Masse der Quarks und Gluonen zusammen nur etwa 16 MeV. Der Unter­schied begründet sich darin, dass sich letztere mit fast Licht­geschwindig­keit im Kern bewegen. Und je mehr sich die Teil­chen der Licht­geschwindig­keit annähern, desto mehr gewinnen die Teil­chen an Masse. Denn die Energie ist ja definiert als:

Wobei die Masse immer die aktuelle Masse ist, die auch von der jeweiligen Geschwindig­keit abhängt. Die Masse setzt sich demnach zusammen aus seiner Ruhe­masse m_₀ im Verhältnis zur Licht­geschwindig­keit.

Wenn v → c geht, wird die Masse beliebig groß.

Die Masse des Protons wird haupt­sächlich durch die relativis­tische kinetische Energie der Quarks und Gluonen gebildet. Diese resultiert wiederum aus der Wechsel­wirkung mit dem Higgsfeld.

Neben den Protonen befinden sich im Kern die Neutronen. Ein solches Neutron setzt sich gegen­teilig zusammen aus 2x „Down-Quark” und 1x „Up-Quark”. Quarks aus den höheren Familien spielen in unserer unmittel­baren Welt keine Rolle. Erst wenn man diese Massen in einem Teilchen­beschleuniger mit hohen Energien anregt, treten sie zu Tage.

Um den Atomkern herum kreisen die Elektronen und bilden quasi eine Hülle. Sie bestehen ledig­lich aus einer Masse und dessen Ladung. Alle Teil­chen eines Atoms zusammen, also der Kern und die Hülle, werden aus den leich­testen Elementar­teilchen, den Leptonen, was „leichte Teilchen” bedeutet, gebildet. Diese sind am stabilsten und zerfallen nicht so schnell wie die schweren Teilchen.

Abb. 2: Die Massen der verschiedenen Elementarteilchen

Der Aufbau der Quarks ist aller­dings viel komplexer als bei den Elektronen. Quarks bilden eine eigen­ständige Gruppe und gehören nicht zu den Leptonen.

Alle aus Quarks zusammen­gesetzten Teilchen nennt man Hadronen, was „schwer” bedeutet. Bei den Hadronen führt eine hohe Anzahl von Quark­teilchen zu entspre­chend schweren Atom­kernen. Diese werden nochmals unter­schieden in zwei Typen von Baryonen. Das sind zum einen die Baryonen, die wie die klassischen Fermionen aus 3 Quarks bestehen, und anderer­seits die Mesonen. Das ist letzt­lich eine höhere Art von Bosonen.

Die Photonen wechsel­wirken mit den Nukleonen, den Kern­teilchen. Nukleonen bilden zusammen mit den Leptonen die Atome. Und Moleküle sind wiederum aus mehreren Atomen zusammen­gefügt.

Abb. 3: Übersicht der Elementarteilchen

Nur die Quarks haben „Farbe”, und diese Farbe entspricht einer Eigen­schaft. Diese Eigen­schaft lässt sich am besten verstehen, wenn die Eigen­schaft als solches durch den Begriff „Farbe” ausgedrückt wird. Gemäß der Farb­lehre gibt es drei Grund­farben: „Rot, Gelb und Blau”. Werden diese drei Grund­farben zusammen­gemischt, ergibt dies „Weiß”.

Über­tragen auf die Quarks bedeutet das, wenn man drei verschie­dene, der Farbladung entspre­chende Quarks, zusammen­fügt, erhält man ein Teil­chen, welches „keine” Farbe mehr hat. Und genau das passiert beim Neutron. Dort gibt es 2x „Down-Quarks” mit 1x „Up-Quark”, die zusammen das Neutrino ergeben, wobei sich die 3 Farben zu „Weiß” mischen. Daher unter­liegt das Neutron keiner Wechsel­wirkung mehr. Und es ist besonders die Starke Kraft, die sich durch die verschie­denen Farb­ladungen äußert. Daher besitzen anderer­seits die Leptonen keine Farbladung.

Aller­dings gibt es zu jedem Teilchen aus der Gruppe der Leptonen und der Quarks sogenannte Anti­teilchen mit umgekehrter Eigen­schaft. Das sind dann die Antileptonen und die Antiquarks. Was aber unverändert bleibt, ist die Masse, die exakt gleich ist. Beispiels­weise hat das Elektron(−) eine negative Ladung, wogegen das Antielektron(+) eine positive Ladung hat, und deshalb auch Positron genannt wird. Daher hat auch das Anti­neutrino(0) keine Ladung. Denn +Null und -Null ist quasi das Gleiche.

Die Anti­quarks haben wie erwähnt, die gleiche Masse, aber die umge­kehrten Eigen­schaften. Das bedeutet, zu einem „Rot” gibt es ein „Anti-Rot”, und das ist „Blau”. Zu einem „Blau” gibt es ein „Anti-Blau”, und das ist „Gelb”. Und zu einem „Gelb” gibt es ein „Anti-Gelb”, und das ist „Rot”. Je nach Darstellung können die Farben in den Lehrbüchern ein bisschen variieren. Aber letztlich soll immer das Gleiche ausgesagt werden. Und auch die Antifarben ergeben zusammen wieder „Weiß”.

Je mehr Energie man auf die Quarks über­trägt, desto merk­würdiger scheinen sich die Teil­chen zu verhalten. Das Bemerkens­werte an den Quarks ist, dass sie reale gebrochene elek­trische Ladungen haben. So haben beispiels­weise alle Up-Quarks „(+2/3)” Ladungen und die Down-Quarks, wozu auch die Strange-Quarks und die Bottom-Quarks gehören, haben „(−1/3)” Ladung.

Insofern kann man nur solche Quarks zusammen fügen, die als Gesamt­ladung Eins ergeben oder wie das Neutron Null. Zusätz­lich zu dem „Weiß” müssen sie auch ganze Ladungen erzeugen können. In der Natur können immer nur zwei oder drei Farben und „keine” vier Farben zusammen­gefügt werden.

Abb. 4: Die Farbladungen der Quarks

Beispiele:

Das Neutron hat die Einzel­ladungen Down(−1/3), Down(−1/3), Up(+2/3), und das ergibt zusammen die Ladung Null.
Das Proton hat die Einzel­ladungen Up(+2/3), Up(+2/3), Down(−1/3), und das ergibt zusammen die Einheits­ladung Eins.

Wenn man ein Quark aus der nächsten Teilchen­familie hinzu­fügt, wird die sogenannte „Strangeness” erhöht. Derartig erzeugte Teil­chen zerfallen aller­dings inner­halb kürzester Zeit in Teil­chen der untersten Familie.

So hätte ein mit höherer Energie erzeugtes Teil­chen, wie z. B. das dus-Teilchen mit den Einzel­ladungen Down(−1/3), Up(+2/3), Strange(−1/3), die Gesamtladung Null.

Ein ebenfalls so erzeugtes Teilchen zusammen­gesetzt als dss-Teilchen, mit den Einzel­ladungen Down(−1/3), Strange(−1/3), Strange(−1/3), hätte die Gesamt­ladung -Eins.

Mit noch höheren Energien lassen sich „Charm”-Quarks mit ein­binden. Bei aber­mals höheren Energie­zuständen würde die Natur als erstes „Bottom”-Quarks und schließlich „Top”-Quarks zulassen. Aber wie man schon sehen kann, wird die Natur alles daran setzen, einen Zustand niedriger Energie zu erhalten.

Neben der Ladungs­eigenschaft gibt es noch zusätzlich den Spin. Mit anderen Worten, die Teil­chen verfügen zusätz­lich über einen Dreh­impuls. Dieser Dreh­impuls wird durch die Gesetze der Wirbel­mechanik aufgeprägt. Der Dreh­impuls bleibt aufgrund der Erhaltungsätze solange unverändert, bis äußere Kräfte diesem Impuls etwas entgegensetzen.

Die aus den Quarks zusammen­gesetzten Teilchen können entweder den Dreh­impuls J = 3/2 oder J = 1/2 haben. Im ersten Fall hätten sich alle drei Spins parallel angeordnet, wogegen im zweiten Fall eines der drei Spins in die andere Richtung zeigt. Bei der Bewer­tung des Dreh­impulses spielen negative Spins keine Rolle, weil der Betrag J_z entschei­dend ist, und der bleibt immer positiv. Daher werden grund­sätzlich immer nur diese beiden Familien betrachtet.

Aller­dings stellen sich die inneren Struk­turen der Quarks noch weitaus kompli­zierter dar. Denn bei einem Proton beispiels­weise spielen auch die Gluonen eine entschei­dende Rolle. Und neben dem ladungs­vermit­telnden Aspekt gibt es auch den spin­vermit­telnden Aspekt. Das heißt, da durch den Spin ein Magnet­feld erzeugt wird, muss man auch die magne­tische Wechsel­wirkung bei jeder Betrachtung mit einbeziehen.

Und letztlich tragen sogar die virtuellen Teil­chen, sprich die Teil­chen des Vakuums zur Wechsel­wirkung mit bei. Alles in allem eine sehr komplexe Struktur. Und trotzdem liegt in Summe der Spin eines Protons bei J = 1/2 und die Ladung ist Eins. Welchen Beitrag die virtu­ellen Teil­chen tatsäch­lich leisten, haben die Physiker noch nicht ganz verstanden. Sie gehen aber davon aus, dass es diese Teilchen in Form der dunklen Energie geben muss, weil man sich sonst bestimmte Phänomene nicht erklären kann.

Die Baryonen, mit einem Dreh­impuls von J = 3/2, verhalten sich völlig anders. Ein derartig erzeugtes Teilchen, wie z. B. das uuu-Teilchen mit den Einzel­ladungen Up(+2/3), Up(+2/3), Up(+2/3), hätte die Gesamt­ladung +Zwei. Oder das sss-Teilchen mit den Einzel­ladungen Strange(−1/3), Strange(−1/3), Strange(−1/3), hätte die Gesamt­ladung -Eins.
Kämen jetzt noch energe­tisch höher erzeugte „Charm”-Teilchen hinzu, ergäbe dies z. B. das cuu-Teilchen mit den Einzel­ladungen Charm(+2/3), Up(+2/3), Up(+2/3), hätte ebenfalls die Gesamt­ladung +Zwei, aber aufgrund der anderen Familie eine höhere Masse.
Bei einem ccc-Teilchen mit den Einzel­ladungen Charm(+2/3), Charm (+2/3), Charm(+2/3), würde sich zwar an der Gesamt­ladung +Zwei nichts ändern, aber die Masse wäre nochmals um ein Viel­faches höher. Und das Gleiche ließe sich, wie bereits oben erwähnt, auf das Graviton übertragen.

Zu den Hadronen zählen, wie schon erwähnt, auch die Mesonen. Diese setzen sich jedoch nicht aus drei Quarks zusammen, sondern aus einem Quark und dessen Antiquark. Daher haben die Mesonen auch keinen Spin. Als Ergebnis werden daraus z. B. die Kaonen gebildet. Ein derartig erzeugtes Teilchen, wie z. B. das - oder -Teilchen mit den Einzel­ladungen Down(−1/3) und Antistrange(+1/3) bzw. Strange(−1/3) mit Antiup(+1/3) kombiniert, hätten die Gesamt­ladung Null.

Mesonen, die aus - oder -Teilchen gebildet werden, nennt man auch Pionen, und diese haben eine extrem kurze Lebens­dauer, weil sie sich gegen­seitig in „einem „Blitz” vernichten, oder anders ausge­drückt, in zwei Gamma-Quanten zerstrahlen. Und die soge­nannten Eta-Teilchen werden aus -Teilchen gebildet und haben eben­falls eine sehr kurze Lebensdauer.

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