Elementarteilchen

Bausteine des Universums

Alles um uns herum besteht aus unterschiedlichen Kombinationen von rund 100 verschiedenen Atomsorten, den „chemischen Elementen“. Wasser ist zum Beispiel die Kombination von zwei Wasserstoff- und einem Sauerstoffatom. Aber woraus bestehen Atome? Vor gut 100 Jahren dachte man, Atome seien wie kleine Planetensysteme: leichte Elektronen umkreisen einen schweren Kern – so wie die Planeten um die Sonne laufen. Später fanden Forscher heraus, dass der Atomkern seinerseits aus zwei verschiedenen Bausteinen besteht: Protonen und Neutronen. Aber auch das ist noch nicht das Ende der Geschichte: Seit einigen Jahrzehnten weiß man, dass Protonen und Neutronen jeweils aus drei noch kleineren Teilchen bestehen: den Up- und Down-Quarks.

Zwölf Fermionen und ...

Nach heutigem Wissen ist die Materie um uns herum also aus drei Bausteinen aufgebaut: Es gibt die Elektronen in der Atomhülle sowie Up- und Down-Quarks im Atomkern. Weil Elektronen und Quarks nicht noch weiter zerlegt werden können (jedenfalls bis jetzt!), nennt man sie „Elementarteilchen“. Neben den Elektronen und den Up- und Down-Quarks gibt es noch weitere Elementarteilchen, die aber nicht in normaler Materie vorkommen: Das Myon und das Tau sind „schwere Brüder“ des Elektrons, während die Quark-Familie noch die vier Mitglieder „Strange“, „Charm“, „Bottom“ und „Top“ hat. Hinzu kommen noch drei Neutrinos: Je eines von ihnen ist mit dem Elektron, dem Myon und dem Tau „verwandt“.

... die vier Fundamentalkräfte

Die Teilchen beeinflussen sich gegenseitig durch Kräfte, die von „Kraftteilchen“ übertragen werden – im Falle der elektromagnetischen Kraft pendeln „Photonen“ (Lichtteilchen) zwischen geladenen Elementarteilchen hin und her und sorgen so für Anziehung oder Abstoßung. Auch die anderen drei Grundkräfte der Natur werden durch solche Teilchen vermittelt: Gluonen (starke Wechselwirkung), W- und Z-Bosonen (schwache Wechselwirkung) sowie Gravitonen (Schwerkraft). Das ist also unser modernes Bild von der Materie: Sie besteht aus Quarks und „Leptonen“ (Elektron, Myon, Tau), zwischen denen die Kraftteilchen pendeln. Derzeit suchen die Forscher nach noch kleineren Bausteinen der Natur, aus denen alle heute bekannten Elementarteilchen zusammengesetzt sind. Hierzu gibt es zwar viele Theorien, aber noch keine experimentellen Beweise.