Die Teilchen des Standardmodells werden in die zwei Varianten Fermionen und Bosonen eingeteilt. Die Fermionen machen jene Teilchen aus, die wir üblicherweise als Materie bezeichnen. [Video-2]
Fermionen (Spin = 1/2) | |
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e, μ, τ | Elektron, Myon, Tau |
Es gibt drei Arten von negativ geladenen Teilchen: das Elektron, das Myon und das Tau. | |
ν | Neutrinos |
Und es gibt drei entsprechende elektrisch neutrale Arten von Teilchen: das Elektron-Neutrino, das Myon-Neutrino und das Tau-Neutrino. | |
q | Quarks |
Von den Quarks gibt es sechs unterschiedliche Varianten: up, down, charm, strange, top, bottom. Drei up und down Quarks bilden zusammen ein Proton oder Neutron. |
Bosonen (Spin = 1) | |
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γ | Photon |
Das Photon γ (Gamma) ist das Teilchen des elektromagnetischen Kraftfeldes. Unter Anderem besteht Licht aus Photonen. | |
g | Gluon |
Das Gluon ist ähnlich wie ein Photon, aber es hat nichts mit Atomen sondern mit Atomkernen zu tun. Gluonen halten die Quarks zusammen zu Protonen und Neutronen und halten diese zu Atomkernen zusammen. | |
W | W-Bosonen |
Z | Z-Boson |
In dieser Aufstellung fehlt nur noch ein Teilchen, um das es in diesem Beitrag hauptsächlich geht, das Higgs-Boson.
Das Spezielle an dieser Aufstellung der Teilchen des Standardmodells ist, dass sie nach der Theorie alle eine Masse von Null haben sollten! Wir können überall lesen, dass das Higgs-Bosons den Teilchen Masse gibt.
Warum muss den Teilchen Masse gegeben werden? Warum haben sie nicht einfach selbst eine Masse?
Nun, es stellt sich heraus, dass diese Teilchen gerade die Gruppe aller masselosen Teilchen bilden, wenn es das Higgs-Boson nicht gäbe. Dies ist teilweise auch eine Erklärung dafür, weshalb diese Teilchen verglichen mit der Planck-Masse so extrem leicht sind. Weil sie eigentlich keine Masse haben. Aber das stimmt nicht ganz. Wir wissen ja, dass diese Teilchen eine kleine Masse haben.
Teilchen können eine Masse von 0 bis zu einer maximalen Masse haben, der sog. Planck-Masse mP. Hätte ein Teilchen eine grössere Masse als die Planck-Masse, würde es ein schwarzes Loch bilden. [Video-3]
Die Planck-Masse ist: 1,2209 ·1019 GeV/c2 = 2,176 ·10−8 kg
Dies entspricht etwa dem Gewicht eines Staubteilchens. Die folgende Tabelle zeigt die Massen einiger Teilchen im Vergleich mit der Planck-Masse:
Teilchen | Masse | |
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Elektron | 0,000 511 GeV/c2 | 9,107 ·10−31 kg |
Up-Quark | 0,0024 GeV/c2 | 4,3 ·10−30 kg |
Down-Quark | 0,0048 GeV/c2 | 8,6 ·10−30 kg |
Proton | 0,938 GeV/c2 | 1,672 ·10−27 kg |
Neutron | 0,940 GeV/c2 | 1,675 ·10−27 kg |
Top-Quark | 171,2 GeV/c2 | 3,051 ·10−25 kg |
Teilchen der dunklen Materie? | ||
Planck-Masse | 1,221 ·1019 GeV/c2 | 2,176 ·10−8 kg |
Die Masse des schwersten bekannten Elementarteilchens, des Top-Quarks, ist etwa 1017 mal kleiner als die Planck-Masse!
Warum sind alle diese Teilchen so extrem leicht?
Eine Antwort ist: um schwere Teilchen nachweisen zu können, braucht man viel Energie. Um diese Energie zu erzeugen braucht es grosse Teilchenbeschleuniger. Bisher wurden erst Beschleuniger bis zu einer bestimmten Grösse gebaut. Also konnten damit noch keine schwereren Teilchen entdeckt werden. Aber vielleicht ist die Gewichtsskala bis zur Planck-Masse voll von Teilchen (Dunkle Materie?).
Das Standardmodell beschreibt, wie Fermionen das Aussenden von Bosonen veranlassen [Video-4]. Dies wird graphisch in sog. Feynman-Diagrammen dargestellt (Bild 1 bis 3). Gerade Linien stehen für den Weg den Fermion nehmen. Fermionen haben Masse, daher werden sie durch gerade solide Linien dargestellt. Bosonen werden durch Wellenlinien dargestellt.
In Bild 1 emittiert ein Elekron e ein Photon γ. Die Zeitachse zeigt im Bild nach oben.
Wenn es um geladene Teilchen und Felder geht spricht man von Quantenelektrodynamik.
Weiteres Beispiel: Ein Quark q kann ein Gluon g aussenden (Bild 2). Dies wird genau gleich wie in Bild 1 dargestellt. Das Quark ist ein Fermion und wird daher mit einer geraden soliden Linie dargestellt. Das Gluon ist ein Boson und wird daher mit einer Wellenlinie dargestellt.
Weil ein Quark auch eine elektrische Ladung hat, kann es auch ein Photon emittieren. Elektronen jedoch können keine Gluonen emittieren. Gluonen binden Quarks zu Protonen und Neutronen zusammen.
Da Neutrinos elektrisch neutral sind, können sie keine Photonen emittieren. Sie können auch keine Gluonen emittieren. Aber sowohl Elektronen e, als auch Neutrinos ν und Quarks q können Z-Bosonen Z emittieren (Bild 3).
Weil ein Z-Boson elektrisch neutral ist, ändert sich die Ladung der Teilchen beim emittieren eines Z-Bosons nicht.
Das Photon ist masselos, weil es sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt. Alles was sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, kann keine Masse haben, denn alles was Masse hat, kann Lichtgeschwindigkeit nicht erreichen. [Video-5]
Kann etwas schneller sein als Lichtgeschwindigkeit?
Könnte man eine Theorie entwickeln, in welcher Photonen eine Masse haben?
Ja! Aber viel wichtiger ist, dass wir eine Theorie entwickeln können, in welcher Photonen keine Masse haben! Warum? Weil ein Photon in der Natur nun mal keine Masse hat!
Mit derselben Theorie würden auch Gluonen und Z-Bosonen keine Masse haben. Z-Bosonen und W-Bosonen haben jedoch eine relativ grosse Masse!
Diese Seite ist Teil meiner Deutsch-Übersetzung Higgs-Boson entmystifiziert des Vortrages Demystifying the Higgs Boson von Prof. Leonard Susskind vom 30.07.2012 an der Stanford University.
Prof. Leonard Susskind ist ein US-amerikanischer theoretischer Physiker und Mitbegründer der Stringtheorie. Er gibt seit vielen Jahren öffentliche Vorlesungen in Physik für ein interessiertes Publikum.
Die Daten der einzelnen Partikel sind doch bekannt; ebenso dass das CERN nur die verschiedenen 17 Fundamentalteilchen im Baukasten beschreibt, obwohl 61 Elementarteilchen der realen Materie experimentell erfasst sind. Diese versuchte ich in einem System-Stereobild von Gell-Mann zusammenzuführen. Es würde mich freuen, wenn mein Versuch Anklang finden könnte und die Lagrange Formulierungen sich eigentlich besser für die dunkle Materie ohne experimentelle Notwendigkeit eignen würden.
Standard Model Picture QCD 61 Elementary Particles
Durch Einführung der Strangeness nach Gell-Mann und deren Einteilung wie der Kombination W = (W+ & W-) in 1/3 & 2/3 erhält man 7 Ladungsebenen mit je 3 Leptonen. 3 Punkte jedoch
lassen sich durch einen Kreis verbinden, so dass sich die reale MATERIE durch 2 Stereo-Bilder (vertikal & horizontal) darstellen lässt. Aufgabe der Mathematik wäre es nun zu zeigen, dass diese jedermann zugängliche Darstellung mit der Lagrange-Formel nicht in Widerspruch steht.