Das Standardmodell der Teilchenphysik enthält 12 Geschmacksrichtungen elementarer Fermionen plus ihrer entsprechenden Antiteilchen sowie Elementarbosonen, die die Kräfte vermitteln, und das Higgs-Boson, das am 4. Juli 2012 als wahrscheinlich durch die beiden Hauptexperimente am Large Hadron Collider (ATLAS und CMS) nachgewiesen wurde.(S. 1-3) Das Standardmodell wird jedoch allgemein eher als provisorische als als wirklich fundamentale Theorie angesehen, da nicht bekannt ist, ob es mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vereinbar ist. Es kann hypothetische Elementarteilchen geben, die nicht durch das Standardmodell beschrieben werden, wie das Graviton, das Teilchen, das die Gravitationskraft tragen würde, und Spartikel, supersymmetrische Partner der gewöhnlichen Teilchen.

Fundamentale Fermionenbearbeiten

Die 12 fundamentalen Fermionen sind in 3 Generationen von jeweils 4 Teilchen unterteilt. Die Hälfte der Fermionen sind Leptonen, von denen drei eine elektrische Ladung von -1 haben, das Elektron (
e−
), das Myon (
μ−
) und das Tau (
τ−
); die anderen drei Leptonen sind Neutrinos (
ν
e,
ν
μ,
ν
τ), die die einzigen elementaren Fermionen mit weder elektrischer noch farbiger Ladung sind. Die restlichen sechs Teilchen sind Quarks (siehe unten).

GenerationsEdit

MassEdit

The following table lists aktuelle gemessene Massen und Massenschätzungen für alle Fermionen unter Verwendung derselben Maßskala: Millionen Elektronenvolt relativ zum Quadrat der Lichtgeschwindigkeit (MeV / c2). Zum Beispiel ist die am genauesten bekannte Quarkmasse des Top-Quarks (
t
) bei 172,7 GeV / c2 oder 172 700 MeV / c2, geschätzt unter Verwendung des On-Shell-Schemas.

Estimates of the values of quark masses depend on the version of quantum chromodynamics used um Quark-Wechselwirkungen zu beschreiben. Quarks sind immer in einer Hülle von Gluonen eingeschlossen, die den Mesonen und Baryonen, in denen Quarks auftreten, eine wesentlich größere Masse verleihen, so dass Werte für Quarkmassen nicht direkt gemessen werden können. Da ihre Massen im Vergleich zur effektiven Masse der umgebenden Gluonen so klein sind, ergeben geringfügige Unterschiede in der Berechnung große Unterschiede in den Massen.

Antiteilchenbearbeiten

Es gibt auch 12 fundamentale fermionische Antiteilchen, die diesen 12 Teilchen entsprechen. Zum Beispiel ist das Antielektron (Positron)
e+
das Antiteilchen des Elektrons und hat eine elektrische Ladung von +1.

QuarksEdit

Isolierte Quarks und Antiquarks wurden nie entdeckt, eine Tatsache, die durch die Beschränkung erklärt wird. Jedes Quark trägt eine von drei Farbladungen der starken Wechselwirkung; Antiquarks tragen ebenfalls Anticolor. Farbgeladene Teilchen interagieren über Gluonenaustausch auf die gleiche Weise, wie geladene Teilchen über Photonenaustausch interagieren. Gluonen sind jedoch selbst farbgeladen, was zu einer Verstärkung der starken Kraft führt, wenn farbgeladene Teilchen getrennt werden. Im Gegensatz zur elektromagnetischen Kraft, die abnimmt, wenn sich geladene Teilchen trennen, spüren farbgeladene Teilchen eine zunehmende Kraft.Farbgeladene Teilchen können sich jedoch zu farbneutralen Verbundteilchen verbinden, die Hadronen genannt werden. Ein Quark kann sich mit einem Antiquark paaren: Das Quark hat eine Farbe und das Antiquark hat die entsprechende Antifarbe. Die Farbe und die Antifarbe heben sich auf und bilden ein farbneutrales Meson. Alternativ können drei Quarks zusammen existieren, wobei ein Quark „rot“, ein anderes „blau“ und ein anderes „grün“ ist. Diese drei farbigen Quarks bilden zusammen ein farbneutrales Baryon. Symmetrisch können drei Antiquarks mit den Farben „antirot“, „Antiblau“ und „Antigrün“ ein farbneutrales Antibaryon bilden.Quarks tragen auch gebrochene elektrische Ladungen, aber da sie in Hadronen eingeschlossen sind, deren Ladungen alle integral sind, wurden gebrochene Ladungen nie isoliert. Beachten Sie, dass Quarks elektrische Ladungen von entweder +2⁄3 oder -1⁄3 haben, während Antiquarks entsprechende elektrische Ladungen von entweder -2⁄3 oder +1⁄3 haben.

Der Beweis für die Existenz von Quarks kommt von tiefer inelastischer Streuung: Abfeuern von Elektronen an Kernen zur Bestimmung der Ladungsverteilung innerhalb von Nukleonen (die Baryonen sind). Wenn die Ladung gleichmäßig ist, sollte das elektrische Feld um das Proton gleichmäßig sein und das Elektron sollte elastisch streuen. Niederenergetische Elektronen streuen auf diese Weise, aber oberhalb einer bestimmten Energie lenken die Protonen einige Elektronen um große Winkel ab. Das zurückstoßende Elektron hat viel weniger Energie und ein Teilchenstrahl wird emittiert. Diese unelastische Streuung legt nahe, dass die Ladung im Proton nicht gleichmäßig ist, sondern sich auf kleinere geladene Teilchen aufteilt: Quarks.

Fundamentalbosonenbearbeiten

Im Standardmodell vermitteln Vektor- (Spin-1) Bosonen (Gluonen, Photonen und die W- und Z-Bosonen) Kräfte, während das Higgs-Boson (Spin-0) für die intrinsische Masse von Teilchen verantwortlich ist. Bosonen unterscheiden sich von Fermionen dadurch, dass mehrere Bosonen denselben Quantenzustand einnehmen können (Pauli-Ausschlussprinzip). Bosonen können auch entweder elementar wie Photonen oder eine Kombination wie Mesonen sein. Der Spin von Bosonen sind ganze Zahlen anstelle von halben ganzen Zahlen.

GluonsEdit

Gluonen vermitteln die starke Wechselwirkung, die Quarks verbindet und dadurch Hadronen bildet, die entweder Baryonen (drei Quarks) oder Mesonen (ein Quark und ein Antiquark) sind. Protonen und Neutronen sind Baryonen, verbunden durch Gluonen, um den Atomkern zu bilden. Wie Quarks zeigen Gluonen Farbe und Anticolor – unabhängig vom Konzept der visuellen Farbe und eher der starken Wechselwirkungen der Teilchen – manchmal in Kombinationen, insgesamt acht Variationen von Gluonen.

Elektroschwache Bosonenbearbeiten

Es gibt drei schwache Spurbosonen: W+, W− und Z0; diese vermitteln die schwache Wechselwirkung. Die W-Bosonen sind bekannt für ihre Vermittlung beim Kernzerfall: Das W− wandelt ein Neutron in ein Proton um und zerfällt dann in ein Elektron- und Elektron-Antineutrino-Paar.Das Z0 wandelt keine Partikelgrößen oder Ladungen um, sondern ändert den Impuls; Es ist der einzige Mechanismus zur elastischen Streuung von Neutrinos. Die schwachen Messbosonen wurden aufgrund der Impulsänderung der Elektronen durch den Neutrino-Z-Austausch entdeckt. Das masselose Photon vermittelt die elektromagnetische Wechselwirkung. Diese vier Spurbosonen bilden die elektroschwache Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen.

Higgs-bosonEdit

Obwohl uns die schwachen und elektromagnetischen Kräfte bei niedrigen Energien ganz anders erscheinen, wird angenommen, dass sich die beiden Kräfte bei hohen Energien als eine einzige elektroschwache Kraft vereinigen. Diese Vorhersage wurde durch Messungen von Querschnitten für die hochenergetische Elektronen-Proton-Streuung am HERA-Collider bei DESY eindeutig bestätigt. Die Unterschiede bei niedrigen Energien sind eine Folge der hohen Massen der W- und Z-Bosonen, die wiederum eine Folge des Higgs-Mechanismus sind. Durch den Prozess der spontanen Symmetriebrechung wählt das Higgs eine spezielle Richtung im elektroschwachen Raum, die bewirkt, dass drei elektroschwache Teilchen sehr schwer werden (die schwachen Bosonen) und eines mit einer undefinierten Ruhemasse verbleibt, da es immer in Bewegung ist (das Photon). Am 4. Juli 2012, nach vielen Jahren experimenteller Suche nach Beweisen für seine Existenz, wurde bekannt gegeben, dass das Higgs-Boson am Large Hadron Collider des CERN beobachtet wurde. Peter Higgs, der zuerst die Existenz des Higgs-Bosons postulierte, war bei der Ankündigung anwesend. Es wird angenommen, dass das Higgs-Boson eine Masse von ungefähr 125 GeV hat. Die statistische Signifikanz dieser Entdeckung wurde als 5 Sigma angegeben, was eine Sicherheit von ungefähr 99,99994% impliziert. In der Teilchenphysik ist dies das Signifikanzniveau, das erforderlich ist, um experimentelle Beobachtungen offiziell als Entdeckung zu kennzeichnen. Die Erforschung der Eigenschaften des neu entdeckten Teilchens geht weiter.

GravitonEdit

Das Graviton ist ein hypothetisches elementares Spin-2-Teilchen, das zur Vermittlung der Gravitation vorgeschlagen wird. Während es aufgrund der Schwierigkeit seines Nachweises unentdeckt bleibt, ist es manchmal in Tabellen von Elementarteilchen enthalten.(pp1-3) Das konventionelle Graviton ist masselos, obwohl es Modelle gibt, die massive Kaluza–Klein-Gravitonen enthalten.