Zusammenfassung
Ähnlich wie das Periodensystem der Elemente die Grundlage der Chemie bildet, formte sich in den 1970er Jahren das Standardmodell der Teilchenphysik. All unsere bekannte Materie besteht danach aus nur drei quasi punktförmigen Elementarteilchen, den Up- und Down-Quarks als Bestandteilen der Protonen und Neutronen in den Atomkernen und den Elektronen, welche die Atomhülle bilden. Verschiedene Austauschteilchen vermitteln Kräfte zwischen den Elementarteilchen, deren Masse über den Higgs-Mechanismus erzeugt wird.
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- 1.
Die De-Broglie-Wellenlänge \(\lambda \) hängt von Ruhemasse m und Geschwindigkeit v eines Teilchens ab und ist umso kleiner, je kleiner die Ruhemasse und je größer der (relativistische) Impuls eines Teilchens ist: \(\lambda = \frac{\mathrm {m}}{\mathrm {p}}\), mit m = Ruhemasse und p = \(\gamma \)mv = relativistischer Impuls mit \(\gamma \) = Lorentzfaktor. Elektronenmikroskope sind neben anderen Effekten in der Auflösung beschränkt durch die Materiewellenlänge der Elektronen. Kleinere Objekte als die Materiewellenlänge können nicht mehr aufgelöst werden. Daher muss für eine höhere Auflösung der Impuls oder die Energie der Elektronen möglichst groß werden.
- 2.
Protonen enthalten zwei Up-Quarks und ein Down-Quark (uud), Neutronen ein Up-Quark und zwei Down-Quarks (udd).
- 3.
Neben den drei Elementarteilchen, aus denen sich die gewöhnliche Materie in unserem Universum zusammensetzt, gibt es noch einen kleinen Anteil von Neutrinos und etwa fünfmal soviel sogenannte ,,Dunkle Materie“, die nicht leuchtet und nicht direkt beobachtet werden kann. Diese besteht möglicherweise aus unbekannten andersartigen Elementarteilchen, die am LHC nach dem Neustart produziert werden könnten. Mehr dazu im essential ,,Neustart des LHC: die Experimente und das Higgs“.
- 4.
Der Eigendrehimpuls (Spin) von Teilchen wird in Einheiten von \(\hbar = \frac{h}{2\pi }\) angegeben, mit h = Plancksches Wirkungsquantum. Alle Materieteilchen besitzen einen halbzahligen Spin von \(\frac{1}{2}\hbar \) mit einer sogenannten antisymmetrischen quantenmechanischen Wellenfunktion und werden als Fermionen bezeichnet nach dem italienischen Physiker Enrico Fermi (1901–1954). Alle bekannten Kraftteilchen besitzen dagegen einen ganzzahligen Spin von \(1\,\hbar \), eine symmetrische Wellenfunktion und werden als Bosonen bezeichnet nach dem indischen Physiker Satyendra Nath Bose (1894–1974). Aus der Asymmetrie der Wellenfunktion bei Fermionen ergibt sich vereinfacht, dass zwei Materieteilchen im gleichen quantenmechanischen Zustand nicht gleichzeitig am selben Ort sein können (Pauli-Prinzip nach Wolfgang Pauli [1900–1958]), die Materie kann sich nur deswegen zu Atomen und großräumigeren Strukturen zusammenschließen. Bosonen wie Lichtteilchen können sich dagegen ungehindert und ungestört durchdringen und überlagern.
- 5.
Leptonen sind nach dem Griechischen leptós benannt, das soviel wie ,,schlank“, ,,dünn“ oder ,,leicht“ bedeutet und besitzen im Gegensatz zu Quarks keine starke Wechselwirkung. Das Elektron ist das leichteste von drei geladenen Leptonen, drei weitere Leptonen sind neutral und werden als Neutrinos bezeichnet.
- 6.
Mehr zum Mechanismus der Massenerzeugung und zur Entdeckung des Higgs-Teilchens in den essentials ,,Neustart des LHC: die Experimente und das Higgs“ und ,,Neustart des LHC: das Higgs-Teilchen und das Standardmodell“ (ISBN 978-3-658-11626-2).
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Hauschild, M. (2016). Ein bisschen Physik – das Standardmodell. In: Neustart des LHC: CERN und die Beschleuniger. essentials. Springer Spektrum, Wiesbaden. https://doi.org/10.1007/978-3-658-13479-2_3
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Publisher Name: Springer Spektrum, Wiesbaden
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