Handout zum CERN-Besuch vom 10. Oktober ... - studienstiftung.ch

2 Überblick zur Teilchenphysik 4
2.2 Elementarkräfte
In der Natur wirken vier fundamentale Kräfte (siehe Tabelle 1 für eine Übersicht). In der Grössenordung
unseres täglichen Lebens sind jedoch nur die elektromagnetische Kraft und die Gravitation
für uns spürbar, da diese beiden Kräfte eine weitaus grössere Reichweite haben als die schwache
und die starke Wechselwirkung. Letztere wirken nur auf mikroskopischen Skalen.
Die schwache Wechselwirkung: Die schwache Wechselwirkung wirkt zwischen (linkshändigen)
Quarks und Leptonen und ihren (rechtshändigen) Antiteilchen 3 . Dabei kann sie wie andere
Kräfte für Energie- und Impuls-Austausch sorgen, wirkt aber vor allem bei Zerfällen oder Umwandlungen
der beteiligten Teilchen, etwa dem Betazerfall bestimmter radioaktiverAtomkerne.
Die starke Wechselwirkung: Die starke Wechselwirkung, welche die stärkste der vier Grundkräfte
ist, wird auch starke Kernkraft genannt, da sie für den Zusammenhalt der Atomkerne 4 und
der Hadronen selbst (das heisst auch der Nukleonen) verantwortlich ist. Sie wirkt zwischen Quarks
und bindet diese zu Hadronen. Die starke Kraft ist nur über sehr kurze Distanzen aktiv.
In Tabelle 1 ist eine Übersicht zu den Wechselwirkungen und ihren Trägerteilchen gegeben. Die
Trägerteilchen transportieren die Wirkung der Kraft. Bei diesen Teilchen handelt es sich um so
genannte virtuelle Teilchen. Diese virtuellen Teilchen sind im Gegensatz zu reellen Teilchen nicht
direkt beobachtbar, sondern man kann nur deren Wirkung messen (zum Beispiel die Anziehung der
Gravitation).
Trägerteilchen Relative Stärke Reichweite
Starke WW 8 Gluonen 1 2.5·10 −15
Elektromagnetische WW Photon 10 −2 ∞
Schwache WW W + - und W − - und Z-Teilchen 10 −13 10 −18
Gravitation Graviton (hypothetisch) 10 −38 ∞
Tabelle 1: Übersicht zu den Elementarkräften
2.3 Erhaltungssätze
Wenn eine denkbare Reaktion nicht stattfindet, muss es dafür einen Grund geben. Dieser Grund
lässt sich meist darin finden, dass bei der Reaktion ein Erhaltungssatz verletzt würde.
Der Satz zur Energieerhaltung zum Beispiel schliesst aus, dass ein Teilchen in zwei insgesamt schwerere
Teilchen zerfällt. Ein weiterer wichtiger Satz ist derjenige der Impulserhaltung. Aus diesem folgt
zum Beispiel, dass bei Auslöschung eines Teilchens mit seinem Antiteilchen (Annihilation) zwei Photonen
emittiert werden müssen, welche in jeweils entgegengesetzte Richtungen davonfliegen.
Ausserdem muss die Drehimpulserhaltung gelten und als vierter Erhaltungssatz muss die elektrische
Ladung erhalten bleiben. Letzteres heisst, dass die Summen der elektrischen Ladungen vor und nach
der Reaktion übereinstimmen müssen. In der Elementarteilchenphysik schränken ausserdem die Erhaltung
der Baryonen- und der Leptonenzahl die Anzahl möglicher Zerfälle ein. Das heisst konkret,
3 Links- und Rechtshändigkeit bezeichnet die Ausrichtung des Spins eines Teilchens (siehe untenstehender Abschnitt)
zu dessen Impuls.
4 Gäbe es die starke Kraft nicht, so müssten sich die positiv geladenen Protonen im Atomkern abstossen.