Leptonen

Leptonen Physik

Schon seit jeher haben sich die Menschen gefragt, aus welchen Bausteinen die Welt zusammengesetzt ist. Mit immer fortschrittlicher Technologie konnte die Physik in den letzten Jahrzehnten immer genauer die Zusammensetzung der Materie erforschen. Die bisher kleinsten bekannten Bausteine bezeichnest Du als Elementarteilchen.

Zusammengefasst sind all diese Teilchen im sogenannten Standard-Modell der Elementarteilchen, das Du auf der folgenden Abbildung sehen kannst.

Abbildung 1: Das Standard-Modell der Elementarteilchen

Abhängig von ihren Eigenschaften und Wechselwirkungen sind die Elementarteilchen in verschiedene Gruppen zusammengefasst. Auf der rechten Seite siehst Du die sogenannten Bosonen, sie sind die Träger- oder Austauschteilchen der fundamentalen Wechselwirkungskräfte im Universum. Mehr zu den vier Wechselwirkungskräften findest Du in der Vertiefung.

Daneben gibt es noch die Fermionen. Fermionen sind die kleinsten Bausteine der Materie, aus ihnen setzt sich jegliche Materie um Dich herum zusammen. Im Standard-Modell kannst Du die Fermionen in zwei Untergruppen unterteilen.

Quarks und Leptonen

Die Gruppe der Fermionen besteht aus Quarks und Leptonen. Sowohl die Quarks, als auch die Leptonen besitzen jeweils 6 Teilchenarten, die Du in drei Generationen unterteilen kannst. Im Standard-Modell unterscheiden sich die Generationen durch die Masse und bestimmte Quantenzahlen ihrer zugehörigen Teilchen.

Gemeinsam bilden Quarks und Leptonen die Atome, aus denen die Materie um Dich herum aufgebaut ist.

Jeweils drei Quarks formen die Kernbausteine der Atome, dabei werden sie durch die starke Wechselwirkungskraft zusammengehalten. Protonen bestehen aus 2 Up- und einem Down-Quark, Neutronen aus 1 Up- und 2 Down-Quarks.

Elektronen aus der Klasse der Leptonen bewegen sich um den Kern aus Protonen und Neutronen und vervollständigen somit das Atom.

Leptonen Definition

Einfach erklärt, handelt es sich bei Leptonen also um eine Klasse von Elementarteilchen, die Du zusammen mit den Quarks zu den sogenannten Fermionen (den Bausteinen der Materie) zählst. Im Gegensatz zu Quarks werden Leptonen jedoch nicht durch die starke Wechselwirkungskraft beeinflusst.

Insgesamt gibt es 6 Leptonen, die in drei Generationen unterteilt sind: das elektrisch geladene Elektron, Myon und Tauon (manchmal auch nur Tau), sowie deren neutral geladenen Neutrino-Partner. Diese besitzen unterschiedliche Eigenschaften.

Leptonen Eigenschaften

Während keines der Teilchen aus der Gruppe der Leptonen auf die starke Wechselwirkungskraft reagiert, so unterscheiden sie sich darin, wie sie durch die anderen Wechselwirkungskräfte beeinflusst werden. Dies hat vor allem mit ihren unterschiedlichen Eigenschaften zu tun.

Leptonen Masse

Wie die anderen Elementarteilchen, so erhalten auch Leptonen ihre Masse durch das Higgs-Feld. Dies ist ein unsichtbares Feld, das sich über das gesamte Universum erstreckt. Einfach erklärt hängt die Masse eines Teilchens davon ab, wie stark es mit dem Higgs-Feld interagiert: je stärker die Interaktion, desto größer die Masse.

Die Teilchen der drei Generationen unterscheiden sich in ihrer Interaktion mit dem Higgs-Feld und damit auch in ihren Massen. Das Elektron hat die kleinste Masse, sie ist fast 2000 Mal kleiner als die Masse eines Protons. Das Myon ist dagegen 200 Mal und das Tauon sogar 3700 Mal so massereich wie das Elektron.

Die Neutrinos interagieren allerdings nur sehr schwach mit dem Higgs-Feld, weshalb ihre Masse vernachlässigbar klein ist. Da die Stärke der Gravitationskraft abhängig von der Masse eines Objekts ist, wechselwirken die Neutrinos fast überhaupt nicht mit der Gravitation.

Leptonen elektromagnetische Ladung

Neben der sehr geringen Masse besitzen Neutrinos keine Ladung. Das bedeutet, sie interagieren auch nicht mit der elektromagnetischen Wechselwirkungskraft. Da Du Neutrinos nur mit speziellen Geräten überhaupt entdecken kannst und sie so gut wie gar nicht mit anderer Materie interagieren, werden Neutrinos oft als Geisterteilchen bezeichnet. Dagegen haben das Elektron, Myon und Tauon dieselbe Ladung von \(q = -1 e\) . Sie werden also von der elektromagnetischen Wechselwirkungskraft beeinflusst.

Leptonen Spin

Der Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft von Teilchen, die Du Dir stark vereinfacht, wie ihren Eigendrehimpuls vorstellen kannst.

Der Spin kann verschiedene festgelegte Werte annehmen, die entweder halb- oder ganzzahlig sind. Genau wie alle anderen Fermionen, besitzen auch Leptonen einen Spin von \(s=\frac{1}{2}\) und unterliegen dem Pauli-Prinzip. Das Pauli-Prinzip besagt, dass keine zwei Fermionen zur selben Zeit denselben Quantenzustand einnehmen können. Dies ist auch der Grund, warum maximal zwei Elektronen im Atom dasselbe Energieniveau einnehmen können.

Leptonen Universalität

Abgesehen von ihrer Masse, besitzen das Elektron, das Myon und das Tauon dieselben Eigenschaften und interagieren auf dieselbe Weise mit anderer Materie. Dies bezeichnest Du als Leptonen-Universalität.

Generell sind Teilchen mit niedriger Masse stabiler und entstehen häufiger im Universum, weshalb auch das Elektron sehr viel öfter als die beiden Leptonen der zweiten und dritten Generation auftritt.

Allerdings ist das Phänomen der Leptonen-Universalität noch nicht vollständig erforscht und wirft viele Fragen auf, zum Beispiel: Warum gibt es genau drei Generationen und nicht mehr oder weniger? Warum sind die Teilchen abgesehen von ihrer Masse so identisch? Warum haben die Teilchen genau die Masse, die sie haben?

Bisher gibt es noch keine klaren Antworten auf diese Fragen, aber Teilchenphysiker*innen auf der ganzen Welt forschen daran.

Leptonen Erhaltung

Ein weiteres interessantes Phänomen aus der Klasse der Leptonen ist der sogenannte Leptonenerhaltungssatz. Neben der gewöhnlichen Materie, aus der unsere Welt aufgebaut ist, gibt es eine weitere Art von Materie: die sogenannte Antimaterie.

Diese kannst Du Dir ein wenig wie das Spiegelbild der gewöhnlichen Materie vorstellen. Jedes Materieteilchen hat einen Antimaterie-Partner. Dieser besitzt dieselbe Masse und entgegengesetzte Ladungen.

In einem System ordnest Du Leptonen nun den Wert 1 zu und den jeweiligen Anti-Leptonen den Wert -1. Alle anderen Teilchen (und deren Anti-Teilchen) besitzen den Wert 0. Diese Werte bezeichnest Du als Leptonenzahl.

Dabei zählst Du einfach die Werte aller Leptonen in dem jeweiligen System zusammen. Der resultierende Wert muss dabei unabhängig von der Reaktion erhalten bleiben.

Im Folgenden findest Du noch einmal die wichtigsten Erkenntnisse zur Teilchenklasse der Leptonen zusammengefasst.