Elementarteilchen - Physik.

« konnte 1955 von den amerikanischen Physikern Owen Chamberlain und Emilio Segrè nachgewiesen werden.

Inzwischen weiß man, dass Diracs Vorhersage für alleElementarteilchen gültig ist, wobei es aber auch solche wie das Photon gibt, die selbst ihr eigenes Antiteilchen sind.

In der physikalischen Notation ist es üblich, die Symbolefür Antiteilchen mit einem Querbalken zu versehen, und man schreibt etwa  e für das Antiteilchen zu ve. Weiterhin ist es üblich, Teilchen auch nach dem Betrag ihrer Spins (Eigendrehimpulse) einzuteilen.

Diese Einteilung findet Anwendung auf Bosonen und Fermionen, wobeider Spin von Bosonen ein ganzzahliges Vielfaches, der Spin von Fermionen dagegen ein halbzahliges und ungerades Vielfaches einer bestimmten Naturkonstanten beträgt. 4 WECHSELWIRKUNGEN Elementarteilchen üben Kräfte aufeinander aus, und es werden ständig neue gebildet sowie paarweise vernichtet.

Diese Kraftwirkungen und die Vorgänge der Erzeugungund Paarvernichtung hängen miteinander zusammen und werden zusammenfassend Wechselwirkungen genannt.

Vier Arten der Wechselwirkung sind bekannt: Die starke Wechselwirkung ist die Stärkste von diesen Arten.

Sie hält beispielsweise Protonen und Neutronen zusammen und ermöglicht auf diese Weise den Aufbau vonAtomkernen.

Die darauf folgende Wechselwirkung ist die elektromagnetische Wechselwirkung.

Diese Kraft ist in erster Linie dafür verantwortlich, in Atomen oder Molekülendie Elektronen an die Atomkerne zu binden.

Die elektromagnetische Wechselwirkung ist deshalb von so großer praktischer Bedeutung, weil bei allen chemischen Reaktioneneine Umstrukturierung der elektromagnetischen Bindungen von Elektronen an Kerne erfolgt.

Erheblich schwächer ist die so genannte schwache Wechselwirkung, die denradioaktiven Zerfall von Atomen steuert.

In den Jahren von 1896 bis 1898 beobachteten und entdeckten die französischen Physiker und Chemiker Antoine H.

Becquerel,Pierre Curie und Marie Curie das Phänomen der Radioaktivität.

Die Gravitationswechselwirkung schließlich ist zwar die schwächste von allen, ist aber in vielen Belangen vonsehr weit reichender Bedeutung. 5 ERHALTUNGSSÄTZE Die Dynamik der Wechselwirkungen unter Elementarteilchen lässt sich anhand von Bewegungsgleichungen beschreiben, die Verallgemeinerungen der drei Newton’schenFundamentalsätze der Dynamik sind ( siehe Mechanik).

Diesen Sätzen zufolge können Energie, Impuls und Drehimpuls weder erzeugt noch vernichtet werden, diese bleiben erhalten.

Jede dieser physikalischen Größen kann in jede andere überführt werden, die Gesamtenergie wird jedoch unveränderlich erhalten, ist also stets konstant.

DieseErhaltungssätze behalten für Elementarteilchen ihre volle Gültigkeit, doch kommen weitere Erhaltungssätze hinzu, die erst entdeckt wurden und die entscheidende Rollenfür Aufbau und Wechselwirkungen von Kernen und Elementarteilchen spielen. 5.1 Symmetrie und Quantenzahlen Bis zu Beginn des 20.

Jahrhunderts wurden Symmetrieprinzipien in der Physik vor allem in der Kristallographie angewandt.

Mit dem zunehmenden Erfolg derQuantentheorie bei der Beschreibung des Atoms und atomarer Vorgänge fanden Physiker seit dem Jahr 1925, dass Symmetriebetrachtungen im Bereich der Atome undElementarteilchen zu Quantenzahlen und Auswahlregeln führten.

Quantenzahlen beschreiben atomare Zustände, und Auswahlregeln bestimmen Übergänge zwischenatomaren Zuständen.

Weil Quantenzahlen und Auswahlregeln zur Beschreibung atomarer und subatomarer Gegebenheiten unerlässlich sind, nehmenSymmetriebetrachtungen eine Schlüsselposition in der Physik der Elementarteilchen ein. 5.2 Parität (P) Die meisten Symmetrieprinzipien sagen aus, dass ein bestimmtes Phänomen unverändert bleibt, wenn bestimmte Raumkoordinaten in bestimmter Weise geändert werden.Das Prinzip der Raumspiegelungssymmetrie, man spricht auch von Erhaltung der Parität P, besagt, dass alle Naturgesetze gültig bleiben, wenn für alle Teilchen die drei Raumkoordinaten x, y und z gespiegelt (allgemein an einem Punkt), d.

h.

ihre Vorzeichen umgekehrt werden, also - x, -y und - z (so genannte P-Symmetrie).

Bleibt durch diese Spiegelung der mathematische Ausdruck, mit dem sich das System beschreiben lässt, gleich, so spricht man von einer geraden bzw.

positiven Parität und ordnet demSystem die Paritätsquantenzahl +1 zu.

In diesem Fall geht das System durch die Operation in sich selbst über.

Ändert sich dagegen durch die Operation das Vorzeichen desmathematischen Ausdruckes, so liegt eine ungerade bzw.

negative Parität vor – hier wäre die Paritätsquantenzahl -1 zuzuordnen.

In letzterem Fall würde das System also insein Inverses übergehen. 5.3 Ladungsumkehr (C) Bei der Ladungsumkehr C (auch Ladungskonjugation) gehen die Teilchen des beobachteten Systems durch die oben beschriebene Spiegelung in ihre Antiteilchen über (so genannte C-Symmetrie).

Bei diesem Vorgang ändern sich lediglich die Vorzeichen von elektrischem sowie magnetischem Moment.

Die anderen Größen wie Masse, Spin undLebensdauer bleiben von der Konjugation unberührt. 5.4 Zeitumkehr (T) Die Definition des Symmetrieprinzips der Zeitumkehr T ist ähnlich, d.

h., Naturgesetze behalten ihre Gültigkeit, egal ob die Zeit vorwärts oder rückwärts verläuft (so genannte T-Symmetrie).

Hierbei ändern sich durch die Spiegelung die Vorzeichen der Bewegungsgrößen aller in dem betreffenden System enthaltenen Komponenten. 5.5 Symmetrie und Stärke von Wechselwirkungen Man weiß, dass die verschiedenen Symmetrien, die bei den vier Wechselwirkungen zu beobachten sind, ziemlich verschieden voneinander sind.

Vor 1957 glaubte man, dassdie Symmetrie der Raumspiegelung (auch Paritätserhaltung) bei allen Wechselwirkungen auftritt.

Im Jahr 1956 zeigten die chinesisch-amerikanischen Physiker Tsung-DaoLee und Chen-Ning Yang (beide erhielten 1957 den Nobelpreis für Physik), dass bis dahin die Gültigkeit der Paritätserhaltung nicht für die schwache Wechselwirkunguntersucht wurde und schlugen mehrere Experimente hierzu vor.

Eines davon wurde im darauf folgenden Jahr von der chinesisch-amerikanischen Physikerin Chien-ShiungWu und ihren Mitarbeitern mit dem Ergebnis ausgeführt, dass die schwache Wechselwirkung keine Paritätserhaltung zeigt.

Eine Folge war die Entdeckung, dass die bei derschwachen Wechselwirkung erzeugten Teilchen eine „Händigkeit” zeigen, d.

h.

eine feste Beziehung zwischen ihrem Eigendrehimpuls und ihrer Bewegungsrichtung.Insbesondere die Neutrinos ve und vµ, die nur an der schwachen Wechselwirkung und der Gravitation teilnehmen, haben stets einen „linkshändigen” Eigendrehimpuls, d.

h., die Richtung des Spins zeigt entgegen der Richtung der Fortbewegung – in der Physik spricht man in diesem Fall auch von der Helizität. Im Lauf der Zeit beobachtete man neben Prozessen die den aufgestellten Symmetrien folgten allerdings auch solche Abläufe, die diese Symmetrien verletzten.

Ein Beispielhierfür sind die Unregelmäßigkeiten in Bezug auf die so genannte CP-Symmetrie, die Forscher am Brookhaven National Laboratory (New York) im September 1997beobachten konnten.

(Die Kombination von Paritäts- und Ladungsumkehr fasst man in der Physik häufig unter dem Begriff CP-Symmetrie zusammen.) Als Forschungsobjektwählten die Physiker instabile Elementarteilchen aus der Familie der Mesonen, die so genannten Kaonen.

Sie zerfallen innerhalb eines Zehnmilliardstels einer Sekunde.

Aberden Ergebnissen zufolge läuft der Zerfall geladener Kaonen auf andere Art und Weise ab als bei den Antikaonen.

Dieses ungewöhnliche Wechselspiel dürfte es nach denfrüheren Vorstellungen eigentlich nicht geben, denn es verletzt die CP-Symmetrieregeln.. »