Elementarteilchen sind die kleinsten bekannten Bausteine des Universums. Es wird angenommen, dass sie keine interne Struktur haben, was bedeutet, dass Forscher sie als nulldimensionale Punkte betrachten, die keinen Raum einnehmen. Elektronen sind wahrscheinlich die bekanntesten Elementarteilchen, aber das Standardmodell der Physik, das die Wechselwirkungen von Teilchen und fast allen Kräften beschreibt, erkennt insgesamt 10 Elementarteilchen.
Elektronen und verwandte Teilchen
Elektronen sind die negativ geladenen Bestandteile von Atomen. Während angenommen wird, dass es sich um nulldimensionale Punktteilchen handelt, sind Elektronen von einer Wolke anderer virtueller Teilchen umgeben, die ständig ein- und ausgehen, die im Wesentlichen als Teil des Elektrons selbst wirken. Einige Theorien haben vorausgesagt, dass das Elektron einen leicht positiven und einen leicht negativen Pol hat, was bedeutet, dass diese Wolke virtueller Teilchen daher etwas asymmetrisch sein sollte.
Wenn dies der Fall wäre, könnten sich Elektronen anders verhalten als ihre Antimaterie-Doppel, Positronen, was möglicherweise viele Geheimnisse über Materie und Antimaterie erklärt. Aber Physiker haben wiederholt die Form eines Elektrons gemessen und festgestellt, dass es nach bestem Wissen perfekt rund ist, so dass sie keine Antworten auf die Probleme der Antimaterie haben.
Das Elektron hat zwei schwerere Cousins, das Myon und das Tau. Myonen können erzeugt werden, wenn hochenergetische kosmische Strahlen aus dem Weltraum auf die Erdatmosphäre treffen und einen Schauer exotischer Partikel erzeugen. Taus sind noch seltener und schwerer herzustellen, da sie mehr als 3.400-mal schwerer als Elektronen sind. Neutrinos, Elektronen, Myonen und Taus bilden eine Kategorie grundlegender Teilchen, die Leptonen genannt werden.
Quarks und ihre Eigenart
Quarks, die Protonen und Neutronen bilden, sind eine andere Art von Grundpartikeln. Zusammen mit den Leptonen bilden Quarks das, was wir als Materie betrachten.
Es war einmal, Wissenschaftler glaubten, Atome seien die kleinstmöglichen Objekte; Das Wort kommt aus dem Griechischen "Atomos" und bedeutet "unteilbar". Um die Wende des 20. Jahrhunderts wurde gezeigt, dass Atomkerne aus Protonen und Neutronen bestehen. In den 1950er und 1960er Jahren enthüllten Teilchenbeschleuniger immer wieder eine Vielzahl exotischer subatomarer Teilchen wie Pionen und Kaonen.
1964 schlugen die Physiker Murray Gell-Mann und George Zweig unabhängig voneinander ein Modell vor, das das Innenleben von Protonen, Neutronen und dem Rest des Partikelzoos erklären könnte, wie aus einem historischen Bericht des SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien hervorgeht. In Protonen und Neutronen befinden sich winzige Teilchen, sogenannte Quarks, die in sechs möglichen Arten oder Geschmacksrichtungen erhältlich sind: oben, unten, seltsam, charmant, unten und oben.
Protonen bestehen aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark, während Neutronen aus zwei Downs und einem Up bestehen. Die Up- und Down-Quarks sind die leichtesten Sorten. Da massereichere Teilchen dazu neigen, in weniger massereiche Teilchen zu zerfallen, sind die Auf- und Ab-Quarks auch die häufigsten im Universum. Daher machen Protonen und Neutronen den größten Teil der uns bekannten Materie aus.
Bis 1977 hatten Physiker fünf der sechs Quarks im Labor isoliert - hoch, runter, seltsam, charmant und unten -, aber erst 1995 fanden Forscher des Fermilab National Accelerator Laboratory in Illinois den endgültigen Quark, den oberen Quark. Die Suche danach war so intensiv gewesen wie die spätere Jagd nach dem Higgs-Boson. Der Top-Quark war so schwer herzustellen, weil er etwa 100 Billionen Mal schwerer ist als Up-Quarks, was bedeutet, dass für die Herstellung von Teilchenbeschleunigern viel mehr Energie benötigt wird.
Die fundamentalen Teilchen der Natur
Dann gibt es die vier Grundkräfte der Natur: Elektromagnetismus, Schwerkraft und die starken und schwachen Kernkräfte. Jedem von diesen ist ein grundlegendes Teilchen zugeordnet.
Photonen sind die bekanntesten; Sie tragen die elektromagnetische Kraft. Gluonen tragen die starke Kernkraft und befinden sich in Quarks innerhalb von Protonen und Neutronen. Die schwache Kraft, die bestimmte Kernreaktionen vermittelt, wird von zwei Grundpartikeln getragen, den W- und Z-Bosonen. Neutrinos, die nur die schwache Kraft und Schwerkraft spüren, interagieren mit diesen Bosonen, und so konnten Physiker laut CERN zunächst mithilfe von Neutrinos ihre Existenz nachweisen.
Die Schwerkraft ist hier ein Außenseiter. Es ist nicht in das Standardmodell integriert, obwohl Physiker vermuten, dass es ein assoziiertes Grundteilchen haben könnte, das als Graviton bezeichnet wird. Wenn Gravitonen existieren, könnten sie möglicherweise am Large Hadron Collider (LHC) in Genf, Schweiz, erzeugt werden, aber sie würden schnell in zusätzlichen Dimensionen verschwinden und eine leere Zone zurücklassen, in der sie sich laut CERN befunden hätten. Bisher hat der LHC keine Hinweise auf Gravitonen oder zusätzliche Dimensionen gesehen.
Das schwer fassbare Higgs-Boson
Schließlich gibt es das Higgs-Boson, den König der Elementarteilchen, der dafür verantwortlich ist, dass alle anderen Teilchen ihre Masse erhalten. Die Jagd nach den Higgs war ein großes Unterfangen für Wissenschaftler, die ihren Katalog des Standardmodells vervollständigen wollten. Als die Higgs 2012 endlich entdeckt wurden, freuten sich die Physiker, aber die Ergebnisse haben sie auch an einem schwierigen Ort zurückgelassen.
Das Higgs sieht ziemlich genau so aus, wie es vorhergesagt wurde, aber die Wissenschaftler hofften auf mehr. Das Standardmodell ist bekanntermaßen unvollständig. Zum Beispiel fehlt eine Beschreibung der Schwerkraft, und Forscher dachten, das Finden der Higgs würde helfen, auf andere Theorien hinzuweisen, die das Standardmodell ersetzen könnten. Aber bis jetzt sind sie bei dieser Suche leer ausgegangen.
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