Quantenteilchen

Quantenteilchen ist der Oberbegriff für alle in der Quanten- und Teilchenphysik betrachteten Bausteine. Hierbei muss man deutliche Unterscheidungen vornehmen, da der Begriff des Quant in seiner Bedeutung von Fachbereich zu Fachbereich variieren kann. Historisch teilt man die Quantenteilchen grob in drei grundlegende Kategorien: Materie, Antimaterie und Teilchen, jedoch ist mit fortschreitendem Forschungsstand diese Definition sukzessive abgelöst worden.

Definition

Schematische Klassifizierung der Quantenteilchen (nach Richard Feynman)

Materieteilchen (auch oft Quanten genannt) sind die grundlegenden Teilchen, aus denen (fast) alles aufgebaut ist. Es gibt jedoch noch unzählig viele Quanten, aus denen alles andere aufgebaut ist. Teilchen (die wiederum keine Quanten, also keine Materieteilchen sind) sind meistens aus Materieteilchen, oft aber auch aus alles anderem.

Die Quantenphysik befasst sich mit einzelnen grundlegenden Quanten, die Teilchenphysik mit (etwas) größeren zusammengesetzten Teilchen.

Quantenteilchen der Quantenphysik

Die moderne Quantenphysik geht auf die Entdeckungen von Erwin Schrödinger und seiner Hauskatze zurück. Anhand der von ihnen aufgestellten Schrödinger-Gleichung war es möglich, Materie, Antimaterie und alles andere gut zu beschreiben.

Materie

Erwin Schrödingers Manuskript zu den zwölf Materiequanten

Es gibt 12 Materiequanten. Diese lassen sich in mikroskopische Quarkteilchen (kurz: Quarks), Leptonen, Neutrinos und Zeug klassifizieren. Die 12 Materiequanten sind die wichtigsten Bestandteile von allem.

Während eines Aufenthalts auf der deutschen Insel Wangerooge soll der amerikanische Physiker Richard Feynman in einem Supermarkt ein Paket Quark entdeckt haben. Dies soll er mit den Worten kommentiert haben, Deutschland sei Amerika weit voraus: Was in Amerika Gegenstand aktueller Forschung sei, gebe es in Deutschland bereits im Kühlregal zu kaufen.

• Up-Quark: Das Up-Quark ist Bestandteil der Protonen und Neutronen, und somit essentiell für jedes Atom.
• Down-Quark: Wie das Up-Quark ist dieses Quark in Protonen und Neutronen zu finden.
• Strange-Quark: Dieses Quark ist ziemlich seltsam, und ebenso selten. Oft in Blaubeerquark nachzuweisen, wird es gerne in Blubbergranaten verbaut.
• Charm-Quark: Liebe ist ein grundlegendes menschliches Gefühl. Jedoch ist es auf quantenmechanischer Ebene nichts anderes als die Wechselwirkung von Charm-Quarks.
• Top-Quark: Das schwerste Quark ist voller Energie, somit wird in Atomkraftwerken versucht, besonders viele Top-Quarks herzustellen.
• Bottom-Quark: Dieses Quark ist das Abfallprodukt bei der Herstellung von Top-Quarks. Seine Masse ist die Masse des Top-Quarks minus dessen Energie. Man spricht auch von exponentiellem Abfall.
• Elektron: Ohne Elektronen geht nichts. Sie sind für unseren Strom, für die Energie der Sonne, für die neutrale Ladung in Atomen und vieles anderes mehr verantwortlich. Elektronen haben als Fermionen einen Spin von 1/2, was durch die Aussage "Oh, es dreht sich viel zu schnell" gut beschrieben werden kann.
• Myon: Myonen bilden die Erdatmosphäre. Ohne Myonen würden wir bei einem heftigen Windstoß ins Weltall gepustet werden, aber der Druck der Myonen hält uns auf dem Erdboden. Myonen fallen mit sehr hoher Geschwindigkeit auf die Erde (daher der Druck), und es kommen generell mehr an, als man meint.
• Tauonen sind konzeptionell die Eltern der Myonen. Tauonen sind aber keine guten Eltern und zerfallen oft einfach. Im Winter und Frühling kann man einzelne Tauonen morgens auf der Wiese entdecken.
• e-, µ- und τ-Neutrino: Neutrinos sind noch unerforscht. Man weiß nur, dass es viele gibt, und dass sie nichts tun.
• Photonen kommen in unserern Photoapparaten vor. Licht ist eine Eigenschaft der Augen, und um Licht technisch wahrnehmen zu können, müssen Photonen durch kompizierte Wechselwirkungen das Licht in ein wellenartiges Signal umwandeln.
• Gluon: Das Gluon ist in der Natur bislang nur auf dem Uranusmond Umbriel gefunden worden. Synthetische Gluonen kommen in Klebstoff zum Einsatz.
• Higgs: Das Higgs-Teilchen ist ebenfalls unbekannt. Es wird spekuliert, ob das Higgs-Teilchen bei Menschen für Schluckauf sorgt.

Antimaterie

Antimaterie kann mit Materie fusionieren und viel Energie wird dabei frei. Bekannte Beispiele sind zum Beispiel die Wechselwirkung von Antilopen und Prolopen, oder die Wirkung von Antikörpern in unseren Körpern.

Andere Quanten

Andere Quanten bilden alles andere. Aufgrund der Symmetrie der Schrödinger-Gleichung gibt es im Prinzip unendlich viele Quanten, die alles andere bilden können. Einige Beispiele sollen hier aufgeführt werden:

• Elektrön: Das Elektrön ist das wohl populärste andere Quant. Das Elektrön hat vielseitige Anwengungen, besonders in der Oberflächennanotechnologie.
• Kugel: Die Kugel kann wegen ihrer Radialsymmetrie auch als Quantenteilchen gesehen werden. Kugeln sind die Teilchen, bei denen am meisten Teilchen ins Teilchen passen.

Quantenteilchen in der Teilchenphysik

Die Teilchenphysik beschäftigt sich mit allen Teilchen, die aus mehr als einem Quant bestehen. Diese grenzen sich von den Quanten durch andere Eigenschaften und Erscheinungen in der Wechselwirkung ab, doch auch innerhalb der Teilchenphysik muss anhand der Eigenschaften noch unterschieden werden.

Teilchen aus Materie

Computerdarstellung eines Doppelspaltexperimentes. Gut zu erkennen sind die Nebenmaxima des Interferenzmusters oberhalb und unterhalb des deutlichen Hauptmaximums.

Viele Teilchen bestehen aus Materiequanten. Wie schon erwähnt bestehen Protonen und Neutronen aus Up- und Down-Quarks, und bilden gemeinsam mit Elektronen Atome. Einzelne Protonen oder Neutronen und einzelne Atome sind die häufigsten Teilchen aus Materie. Aber auch einige Zusammensetzungen wie N2 oder O2, oder das Fulleren C60 zählen in diese Kategorie.

Grundsätzlich gelten diese Teilchen als Teilchen aus Materie, mit denen bei einem Doppelspaltexperiment sich Interferenzmuster feststellen lassen.

Teilchen aus allem anderen und Materie

Größere Moleküle und chemische Zusammensetzungen wie Fettsäuren, Aminosäuren oder Esterverbindungen bestehen nicht nur aus Materie, sondern auch aus anderen Quanten. Diese unterscheiden sich in ihren Wechselwirkungen stark von den Atomen, sie haben keine Interferenzeigenschaften und sind Gegenstand der Chemie.

Makroskopische Quarkteilchen

Mit der Fertigstellung des ersten Teilchenbeschleunigers CERN in der Nähe von Genf, Schweiz, im September 1954 stieg das Interesse an der Erforschung von makroskopischen Quantenteilchen. Schon die mikroskopischen Quantenteilchen und Quarks hatte Erwin Schrödinger mit in der Schrödingergleichung gut beschreiben können, und ihre Eigenschaften konnten am CERN gut bestätigt werden. Doch die handelsüblichen Quarkteilchen blieben lange unerforscht. Am 11. Oktober 1964 gelang es zum ersten Mal eine Puddingschnecke auf 90% der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Heute gilt die Erforschung der Wechselwirkungen von makroskopischen Quantenteilchen als eines der vielversprechendsten Forschungsgebiete der Physik.