Die Teilchen des Standard-Modells - Die historische Entwicklung Alle neuen Begriffe, die wir auf dieser Seite verwenden, werden im Laufe des Kapitels noch einmal ausführlicher erklärt. Man muss sich daher keine Sorgen machen, wenn man sich nicht sofort alle merken kann. Die Suche nach den elementaren Bausteinen der Materie ist so alt wie die Menschen selbst. Die Vielzahl der dabei entdeckten Teilchen hatte natürlich eine Vielzahl von Namen zur Folge. Um ein  wenig Struktur in die Namensvielfalt zu bringen, lohnt es sich, die folgende historische Betrachtung der Entwicklung der Teilchenphysik zu lesen. (siehe ).  Bis 1932 Die Untersuchungsmethoden der Teilchenphysiker wurden immer feiner, so dass sich im Lauf der Geschichte immer wieder Teilchen, die für elementar gehalten wurden, als zusammengesetzt herausstellten. So wurden Atome bis zum Ende des 19. Jh. für elementar gehalten. Erst mit der Entdeckung der "Kathodenstrahlen" 1876 und deren 3 Jahre später erfolgten, richtigen Interpretation als Strom elektrisch geladener Partikel, wurde deutlich, dass Atome aus Einzelbausteinen zusammengesetzt sind. Weitere Hinweise auf die Substruktur von Atomen waren 1886 der Nachweis von "Kanalstrahlen" als Strahl positiver Ionen und die Radioaktivität, die Becquerel 1896 entdeckte.   Durch Rutherfords Streuexperiment im Jahre 1911 war bewiesen, dass Atome kleine Kerne besitzen, die Rutherford selbst als kompaktes, mehrfach positiv geladenes Teilchen beschrieb. Das Kern-Hülle-Modell war geboren. 1919 führten Rutherford und Chadwick die erste künstliche Kernumwandlung durch und wiesen verschiedene Isotope nach. Damit war deutlich geworden, dass auch der Atomkern eine Struktur besitzen musste (siehe Abb. rechts). 1932 entdeckte Chadwick das Neutron, nachdem Rutherford 1920 bereits die Existenz eines weiteren Kernbausteins aufgrund von Experimenten zur Bestimmung der Massenzahl angesprochen hatte. Pion (p) ¹ Müon (m) ! 1935 postulierte Yukawa das "Kernfeld" und die zugehörige "Kernkraft" (starke Kraft), die die Kernbausteine zusammenhält. Als Vermittler der starken Kraft benötigte er ein Teilchen, das er p-Meson oder Pion (p) nannte. Yukawa berechnete für die Masse seines postulierten Austauschteilchens das ca. 300-fache der Elektronenmasse von 0,5 MeV/c2 . Mit ca. 150 MeV/c2 lag das Teilchen zwischen Elektronenmasse und Protonen- bzw. Neutronenmasse (ca. 940 MeV/c2). Es wurde daher als Meson ("mittelgewichtig") bezeichnet. Das Elektron wurde aus denselben Gründen als Lepton ("leichtgewichtig") und Proton und Neutron als Baryonen ("schwergewichtig") bezeichnet.  1937 wurde in der Höhenstrahlung ein scheinbar passendes Teilchen gefunden, das einfach negativ geladene Müon (m). Lange Zeit hielt man das Müon für das von Yukawa postulierte Pion, doch 1946 stellte sich heraus, dass die Müonen zu schwach mit Kernen wechselwirken, so dass sie als Austauschteilchen der starken Kraft nicht in Frage kommen. Das Problem wurde 1947 durch Powell gelöst, der das Pion in Aufnahmen mit Fotoplatten von Teilchenspuren der Höhenstrahlung in Höhenlagen von Bergen fand.  Neutrinos (n) 1930 warf die Untersuchung des Beta-minus-Zerfalls, bei dem ein Elektron emittiert wird, ein Problem auf. Aufgrund der Energieerhaltung hätte das emittierte Elektron eine feste Energie besitzen müssen.  Man stellte aber eine bestimmte Energieverteilung emittierter Elektronen fest. Dieser Widerspruch konnte durch die Einführung eines weiteren neutralen Teilchens durch W. Pauli - das 1933 von E. Fermi Neutrino ("kleines neutrales Teilchen") genannt wurde - aufgeklärt werden. Allerdings dauerte es bis 1959, bis Cowan und  Reines den experimentellen Beweis für die Existenz von Neutrinos erbringen konnten . In den späten 50er und frühen 60er Jahren fand man anhand der scheinbaren Verletzung der Erhaltung der Anzahl der Leptonen bei einer Teilchenreaktion, dass es zwei Arten von Neutrinos gibt, das Elektron-Neutrino und das Müon-Neutrino (später kam ein drittes hinzu). Von 1962 bis 1976 zählte man demnach nur 8 Teilchen zur Familie der Leptonen. Das Elektron, das Müon, ihre beiden Neutrinos und die jeweiligen Antiteilchen. Mesonen und Baryonen - Der Teilchenzoo Nach der Entdeckung von Yukawas Pion fanden Rochester und Butler 1947 in einer Nebelkammeraufnahme die Spuren eines positiv und eines negativ geladenen Pions, die aus dem Zerfall eines neutralen Teilchens hervorgegangen sein mussten. Dieses Teilchen nannte man Kaon (K0). 1949 fand Powell das positiv geladene Kaon (K+) durch den Zerfall des K+ in zwei positive und ein negatives Pion in Kernreaktionen. Die Kaonen verhielten sich wie schwere Pionen (p-Mesonen) und wurden daher in die Familie der Mesonen aufgenommen, die im Laufe der Zeit um weitere gefundene Teilchen erweitert wurde (w-, h-, r-, f- ,... Mesonen).  1950 fand Anderson am California Technology Institute eine ähnliche Spur wie bei der Entdeckung des K0, jedoch entstand nun ein negatives Pion und ein  Proton. Das Teilchen, das in Pion und Proton zerfallen ist, musste also wesentlich schwerer gewesen sein als das Proton. Es wurde daher zur Baryonen-Familie gezählt und Lambda (L) genannt. In den nächsten Jahren wurden weitere schwere Teilchen gefunden, die allesamt den Baryonen zugeordnet wurden (S-, X- , D- ,... Baryonen). 1952 wurde in Brookhaven (USA) der erste moderne Teilchenbeschleuniger in Betrieb genommen, so dass man ab diesem Zeitpunkt nicht mehr auf die Höhenstrahlung als einzige Teilchen-Quelle angewiesen war, sondern Teilchen " künstlich im Labor" erzeugen konnte, was die Zahl neuentdeckter Mesonen und Baryonen, zusammen als Hadronen (Teilchen, die stark wechselwirken) bezeichnet, in die Höhe trieb.  Viele der gefundenen Baryonen hatten eine "seltsame" Eigenschaft. Sie konnten leicht erzeugt werden (in der sehr kurzen Zeit von 10-23s), zerfielen aber relativ langsam (in relativ "langen" 10-10s). Diese "Seltsamkeit" (engl. Strangeness) beruht darauf - wie wir heute wissen -, dass für ihre Produktion die starke, für ihren Zerfall aber die schwache Wechselwirkung verantwortlich ist.  Nach der Euphorie über die Entdeckungen neuer Teilchen in den 30er bis 50er Jahren folgte nun die Ernüchterung, einem regelrechten "Teilchenzoo" gegenüberzustehen, dessen Zusammensetzung mit steigender Komplexität immer undurchsichtiger  wurde. Ähnlich wie in der Chemie ein Periodensystem Ordnung in die Vielfalt der Elemente brachte, musste man nun ein System bzw. Modell entwickeln, dass die Elementarteilchen in ähnlich eleganter Weise einordnet. Der Achtfache Weg Murray Gell-Mann führte 1961 als Lösung des Problems den soganannten "Achtfachen Weg" ein. In diesem Modell wurden Mesonen und Baryonen aufgrund bestimmter Quantenzahlen (elektr. Ladung Q, Leptonenzahl L, Seltsamkeit oder Strangeness S) unterschieden und in regelmäßige geometrische Figuren wie z.B. 6-Ecke eingetragen (siehe Abb. rechts und späteres Kapitel). Im Prinzip kann man sich diese Einordnung als ein Koordinatensystem z.B. mit den Achsen "elektr. Ladung Q" und "Strangeness S" vorstellen. Das Baryon (S+) mit den Eigenschaften S = -1 und Q = +1 wird an der "Ecke" mit S = -1 und Q = +1 eingetragen. Die Abb. rechts zeigt das sogenannte Baryonen-Oktett ("Anordnung aus 8 Baryonen") der acht leichtesten Baryonen (der Name "Achtfacher Weg" wurde in Anlehnung an den eightfold path von Buddha gewählt). Allgemein spricht man bei diesen Anordnungen von Multipletts (z.B. Oktett (8) und Dekuplett (10)).    In einem Baryon-Dekuplett, von dem 9 der 10 Baryonen experimentell nachgewiesen waren, fehlte Gell-Mann zunächst das letzte Teilchen mit Strangeness S = -3, dessen Masse er berechnen konnte. Aufgrund dieser Voraussagen wurde 1964 tatsächlich das W- (Omega-minus) genannte Teilchen entdeckt. Danach zweifelte niemand  mehr ernsthaft an der Richtigkeit des Achtfachen Weges und es konnten damit alle Mesonen und Baryonen (und deren Antiteilchen!) geordnet werden. Der Achtfache Weg war damit das entscheidende Modell, dass die Ära des heutigen Standard-Modells der Teilchenphysik einläutete. Quarks Die bestechende Ordnung, die der Achtfache Weg bei den Hadronen geschaffen hatte, forderte natürlich die Frage nach der Ursache dieser Ordnung heraus. Die Ordnung der Elemente des Periodensystems wird durch die Anzahl der Protonen des Atomkerns bestimmt. Was liegt der Ordnung der Hadronen zugrunde? Die Antwort darauf gab 1964 wieder M. Gell-Mann (und unabhängig davon Zweig), indem er noch kleinere, elementare Bausteine - die Quarks - einführte.  Die Quarks kamen bei Gell-Mann in 3 Arten (sog. "Geschmacksrichtungen", engl. "Flavours") vor. Es gab das up-, das down- und das strange-Quark. Diese 3 Quarks (und 3 Antiquarks) ; genügten zur Erklärung der Zusammensetzungen der damals entdeckten Hadronen.  Im Quarkmodell sind Baryonen Kombinationen aus drei Quarks (Antibaryonen aus drei Antiquarks). So ist z.B. das Proton eine Kombination aus zwei up- und einem down-Quark (uud; siehe Abb. rechts). Mesonen sind Kombinationen aus einem Quark und einem Antiquark. Da das Antiteilchen eines Antiquarks ein Quark ist, sind auch Antimesonen Kombinationen aus einem Quark und einem Antiquark. Das Pion (p+) ist z.B. eine Kombination aus einem up-Quark und einem down-Antiquark (ud; siehe Abb. rechts).  Ein Wermutstropfen des ansonsten sehr erfolgreichen Quarkmodells war, dass man Quarks (bis heute) noch nicht einzeln, sondern nur "eingeschlossen" in Mesonen oder Baryonen beobachten konnte. Man bezeichnete diese - heute als gesichert geltende - Eigenschaft als Quarkeinschluss (engl. confinement).  Trotz des Quarkeinschlusses konnte man durch den Beschuss von Protonen mit hochenergetischen Elektronen (sog. "tiefinelastische Streuung") Ende der 60er Jahre und mit Protonen in den 70ern die Substruktur der Protonen  experimentell nachweisen (siehe dazu auch den Abschnitt "Streuexperimente" ). Noch sträubten sich aber die meisten Physiker (bis 1974), diese "inneren Teilchen" - Partonen genannt - mit den Quarks gleichzusetzen, denn noch immer war der Quarkeinschluss ein ungelöstes Problem. Außerdem schien das Pauli-Verbot durch die Quarks verletzt zu sein, obwohl dafür die sog. Farbe - eine zusätzliche Eigenschaft der Quarks, die sie unterscheidbar macht - vorgeschlagen wurde. Das vierte Quark und danach Im November 1974 hatten die Zweifel allerdings ein Ende, als ein extrem schweres Teilchen (mehr als 3-fache Protonenmasse!) von zwei Gruppen gefunden wurde (die einen nannten es J, die anderen Y). Das schließlich J/Y getaufte Teilchen wurde nach Monaten der Diskussion als Meson aus einem vierten Quark (charm-Quark) und seinem Antiquark allgemein anerkannt. Die reizvolle ("Charme besitzende") Parallele, dass es zu den bekannten 4 Leptonen auch 4 Quarks gibt, was schon Jahre zuvor von Bjorken und Glashow vorgeschlagen wurde, bestärkte diese Hypothese. Weitere charm-Quarks enthaltende Mesonen und auch Baryonen wurden 1975 und in den darauffolgenden Jahren gefunden (z.B. D0 = cu oder Lc+ = udc), so dass die Interpretation des J/Y und damit auch das Quarkmodell als gesichert galt.  Die reizvolle Parallele von 4 Leptonen und 4 Quarks wurde allerdings 1975 wieder gestört, als ein fünftes Lepton - das Tauon (t) - entdeckt wurde. Sein  zugehöriges Neutrino (nt) gilt als gesichert, so dass es nun 6 Leptonen gab, aber nur 4 Quarks.  Aber auch dieser Zustand dauerte nur 2 Jahre, denn 1977 wurde das Ypsilon-Meson entdeckt, das korrekterweise als Meson aus einem 5. Quark und seinem Antiquark interpretiert wurde. Man nannte das 5. Quark bottom- oder beauty-Quark. Das erste, ein einzelnes bottom-Quark enthaltende Baryon (Lb = udb) wurde 1981 gefunden, das erste Meson 1983 (B0 = bd). Klar, dass die reizvolle Idee gleicher Anzahl von Leptonen und Quarks ein sechstes Quark forderte. Bis zur Entdeckung dieses 6. und letzten Quarks (top- oder truth-Quark) im Jahr 1995 am Fermilab (Tevatron) bei Chicago sollte es aber noch einmal sehr lange dauern. Dies lag an der extrem hohen Masse des top-Quarks, für dessen Erzeugung erst die entsprechende Beschleuniger-Technologie entwickelt und gebaut werden musste.  Damit sind wir beim aktuellen Stand der Elementarteilchenphysik - dem Standard-Modell - angekommen. Die Teilchen, die uns dazu noch fehlen sind die Austauschteilchen der vier Wechselwirkungen. Wir werden sie an späterer Stelle in diesem Kapitel besprechen.