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Neutrinos durchdringen alles nahezu spurenlos
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Die vier Grundkräfte
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Echte Elementarteilchen
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Hadronen
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ttt
Otto Hamburger
Higgs, Neutrinos, Teilchen-Zoo
Erst waren es die Neutrinos - jetzt ist es das Higgs-Teilchen, das für Schlagzeilen sorgt. Dass die Neutrinos vom Large Hadron Collider am CERN aber schneller als Licht sind, gilt inzwischen als widerlegt. Messfehler waren für die "Sensation" verantwortlich. Nun also das Higgs-Teilchen, von Effekthaschern auch Gottesteilchen genannt.
Ob sich seine Entdeckung bestätigt oder ob die Meldung aus einem schwarzen Sommerloch stammt, wird sich zeigen.
Was sind Neutrinos? Was ist das Higgs-Teilchen? Was heisst CERN und was ist ein Large Hadron Collider? Welche Elementarteilchen gibt es?
Dazu hier ein paar Antworten.
CERN steht für “Centre Européen pour la Recherche Nucléaire”, übersetzt “Europäisches Kernforschungszentrum”. Die Zentrale befindet sich in Genf. Dort steht auch der Large Hadron Collider - ein Teilchenbeschleuniger, der schwere subatomare Teilchen "aufeinanderschiesst", um neue Teilchen zu erzeugen.
Neutrinos sind masselose Elementarteilchen. Sie entstehen unter anderem in der Sonne bei der Fusion von Wasserstoff zu Helium. Mehrere Milliarden Neutrinos durchdringen jede Sekunde unseren Körper, anscheinend ohne jede Wirkung auszuüben.
Die vier Grundkräfte in der Natur
Ein paar Schnipsel Basiswissen. In der Natur gibt es laut Standardmodell der Physik vier Grundkräfte:
* Die starke Wechselwirkung
"hält" die Atomkerne zusammen
* die schwache Wechselwirkung
ist für bestimmte "Zerfalls"prozesse verantwortlich,
* die elektromagnetische Kraft
ist Ursache für Elektrizität und Magnetismus
* die Schwerkraft
Elementarteilchen unterliegen nachweislich drei der vier Grundkräfte, vermitteln sie oder üben sie aus. Die Schwerkraft tanzt hierbei aus der Reihe, denn sie ist 10 hoch 38 mal schwächer als z.B. die starke Grundkraft. Die Schwerkraft hat praktisch keinerlei Auswirkung auf die bekannten Elementarteilchen. Auch konnte man bisher kein Teilchen (Stichwort Graviton) experimentell nachweisen, das die Schwerkraft überträgt.
Elementarteilchen haben Grundeigenschaften. Diese Grundeigenschaften sind:
Ladung
Spin
Masse
Je nach Kombination, Art oder auch Fehlen dieser bestimmten Grundeigenschaften verhalten sich die Elementarteilchen.
Der Spin
Er ähnelt dem Drehimpuls in der klassischen Physik. Elementarteilchen mit Drehimpuls 1 / 2 nennt man Fermionen. Sie sind die Grundbausteine der Natur. Elementarteilchen mit Spin 1 nennt man Bosonen. Sie sind Informations- und Kraftübermittler.
Die Ladung
Ladung ist entweder positiv oder negativ. Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an, gleichartige stossen sich ab. Die Ladungen aller frei auftretenden Elementarteilchen sind immer ganzzahlige Vielfache der Elementarladung e (rund 1,6 mal 10 hoch minus 19 Coulomb).
Die Masse
ist Ursache der Schwerkraft. Die Masse bewirkt die Anziehung zweier Körper (Gravitation), und sie setzt jeder Bewegungsänderung einen Widerstand entgegen (Trägheit der Masse). Die Masse der Elementarteilchen wird in GigaelektronenVolt (=GeV) gemessen. Das Proton ist ungefähr 1 GeV „schwer“, das Elektron ist rund 2.000 mal „leichter“. Das Photon (Lichtteilchen) ist masselos, ebenso das Gluon („Atomkernklebstoff“) und möglicherweise auch das Neutrino.
Aus Sicht des Spins ist ein Elektron ein Fermion, also ein "Baustoff-Teilchen" wegen seines Spins 1 / 2, aus Sicht der Masse ist es ein Lepton, d.h. es ist relativ "leicht", und zwar rund 2000 mal leichter als ein Proton.
FERMIONEN ( Spin 1 / 2 )
haben den Spin 1 / 2. Es gibt zwei Untergattungen von Fermionen, einmal die „leichten“ Leptonen, sodann die vergleichsweise schweren Quarks.
Leptonen
unterliegen nicht der starken Wechselwirkung im Atomkern.
Es gibt drei Leptonen-Familien:
Die Elektron-Familie mit Elektron und Anti-Elektron(=Positron) und (Elektron-)Neutrino.
Die Myon-Familie mit Myon und mit Anti-Myon und Myon-Neutrino.
Die Tauon-Familie mit Tauon und Anti-Tauon und Tauon-Neutrino.
Quarks
Quarks unterliegen der starken Wechselwirkung im Atomkern, d.h. sie haben eine Farbladung. Proton und Neutron sind aus je drei Quarks zusammengesetzt. Und zwar aus den up-down-Quarks. Proton und Neutron gehören zu den zusammengesetzten Teilchen = Hadronen.
Es gibt neben dem up-down Quark-Pärchen noch zwei andere Quark-Pärchen:
charme-strange und bottom-top. Das top-Quark hält den Massenrekord mit 173 GeV.
BOSONEN ( Spin 1 )
sind Austausch- und Vermittlerteilchen (sie werden auch Eichbosonen genannt). Bosonen haben keinen 1 / 2 Spin, sondern einen ganzzahligen Spin, deshalb sind sie keine Fermionen, haben keine Baustein- sondern Vermittlereigenschaften.
Das Photon vermittelt die elektromagnetische Wechselwirkung, die 8 Gluonen-Arten vermitteln die starke Wechselwirkung im Atomkern. Drei Bosonen-Arten, Wplus-, Wminus- und Z-Boson, vermitteln die schwache Wechselwirkung (schwache Ladung). Das Graviton ist nur hypothetisch erschlossen, aber experimentell nicht nachgewiesen.
Achtung HADRONEN!
Hadronen sind keine echten Elementarteilchen, sondern zusammengesetzte Teilchen.
Es gibt eine Vielzahl an Hadronen, etliche schwere (Baryonen) und mehrere mittelschwere (Mesonen).
Die wichtigsten Hadronen sind das Proton und das Neutron, die Atomkernbestandteile. Sie sind schwere Hadronen (=Baryonen) und sind aus drei Quarks der Sorte up-down zusammengesetzt.
Mittelschwere zusammengesetzte Teilchen (=Mesonen) sind die Pionen, Kaonen und Myonen. Bei ihrem Zerfall entstehen Neutrinos. Das Neutrino hingegen gehört zu den Leptonen, also zu den leichten Elementarteilchen. Es hat keine Ladung. Lange Zeit galt es als masselos, doch das ist inzwischen umstritten.
Der Large Hadron Collider und das Higgs-Teilchen
Im Large Hadron Collider am CERN werden Protonen und Neutronen aufeinander geschossen, um andere Teilchen zu erzeugen. Man versucht so, anderen, kaum bekannten oder unbekannten Teilchen auf die Spur zu kommen. Eines der interessantesten vermuteten Teilchen ist das Higgs-Teilchen. Es handelt sich um ein Boson, also ein Vermittler-Teilchen, ein Teilchen, das Kraft/Information überträgt.
Das Higgs-Teilchen soll, so die Theorie, allen anderen massebehafteten Teilchen ihre Masse verleihen. Bisher ist das Higgs-Teilchen oder -Feld nicht unwiderlegbar nachgewiesen. Doch die Indizien sind recht eindeutig, dass es wirklich existiert.
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Eine ausführliche und kurzweilige Darstellung der Elementarteilchen und der Experimente am CERN findet sich bei Rolf Landua, Am Rand der Dimensionen. Gespräch über die Phsyik am CERN, Frankfurt/M., 2008.
Die sozialen Auswirkungen der Experimente am CERN – u.a. auch auf die österreichische Politik – bietet der Beitrag „Früchte des CERN“ von Eritas Thcisrov.
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