Elementarteilchen

Als Elementarteilchen bezeichnet man die Grundbausteine der Materie, aus der auch alle Stoffe zusammengesetzt sind.
Früher nahm man an, dass die Atome und Moleküle die kleinsten Bausteine der Materie sind. Später entdeckte man, dass auch diese Teilchen aus noch kleineren Bestandteilen bestehen. So waren den Physikern bis zum Jahre 1932 vier Teilchen bekannt, aus denen die uns umgebende Materie aufgebaut schien. Es handelte sich um das Elektron, das Proton, das Photon und das 1932 erstmals von J. CHADWICK experimentell nachgewiesene Neutron.
In den Folgejahren wurden aber eine ganze Reihe weiterer Elementarteilchen entdeckt, beispielsweise:

-	1932 fand C.D. ANDERSON (1905-1991) in der kosmischen Strahlung das Positron, ein Teilchen mit der gleichen Masse wie das Elektron, aber entgegengesetzter Ladung. Damit war das erste Antiteilchen gefunden.
-	1937 wurde, ebenfalls in der kosmischen Strahlung, das Myon entdeckt.
-	1946 fanden G. ROCHESTER und C. BUTLER verschiedene positiv geladene, neutrale und negativ geladene Teilchen, die man als Kaonen und Hyperonen bezeichnet.

Insgesamt stellte sich auch durch Forschungen in den nachfolgenden Jahren heraus: Es gibt eine Vielzahl von Elementarteilchen mit unterschiedlichen Eigenschaften und verschiedener Lebensdauer. Zu fast allen Teilchen existiert ein Antiteilchen. Um 1960 herum waren bereits mehr als 200 Teilchen bekannt. Physiker sprachen deshalb von einem Teilchenzoo. Es erwies sich als überaus schwierig, diese Vielzahl von Elementarteilchen zu systematisieren und in eine bestimmte Ordnung zu bringen. Das gelang erstmals 1961 den Physikern M. GELL-MANN (*1929) und Y. NE'EMAN (*1925). GELL-MANN erhielt dafür 1969 den Nobelpreis für Physik.
Als tragfähig erwies sich eine Einteilung in drei Teilchenfamilien: die Leptonen und die Hadronen, wobei letztere in Mesonen und Baryonen unterteilt wurden. Bild 2 gibt einen Überblick über einige ausgewählte Elementarteilchen aus diesen drei Teilchenfamilien.

Weitere Untersuchungen führten zu dem Ergebnis, dass es Teilchen mit einem Drittel der Elementarladung geben müsse. Diese Hypothese wurde 1994 von M. GELL-MANN und G. ZWEIG aufgestellt und ist inzwischen bestätigt. Diese Elementarteilchen bezeichnet man als Quarks. Einen Überblick über diese Quarks und ihre Antiteilchen, die Antiquarks, gibt Bild 3.

Damit ergibt sich: Alle Hadronen sind zusammengesetzte Teilchen. Die Mesonen bestehen aus einem Quark und einem Antiquark, die Baryonen aus drei Quarks oder drei Antiquarks. Bild 4 zeigt die Struktur von Proton und Neutron, die aus je drei Quarks zusammengesetzt sind. Ob die Quarks tatsächlich die elementarsten Bestandteile der Materie sind oder ob auch sie aus noch elementareren Bestandteilen aufgebaut sind, ist eine offene Frage.

Alle Erkenntnisse über den Aufbau und die Zusammensetzung der elementaren Bestandteile der Materie sind in einem Modell zusammengefasst, das ab etwa 1975 entwickelt und ständig verbessert worden ist. Nach diesem Standardmodell gibt es nur zwei Arten von Teilchen, die Leptonen und die Quarks, sowie die zwischen ihnen wirkenden Kräfte. Diese Teilchen, die keine messbare innere Struktur haben, treten in genau drei sogenannten Familien auf. Jede Familie besteht aus zwei Quarks, zwei Leptonen (Elektron, Neutrino) sowie deren Antiteilchen. In Bild 5 sind die Urteilchen der drei Familien angegeben.