Leptonen

Wusstest Du, dass in jeder Sekunde viele Milliarden kleinster Teilchen, sogenannte Neutrinos, durch jeden Quadratmeter der Erde strömen? Neutrinos werden oft als Geisterteilchen bezeichnet, weil sie nur selten mit Materie interagieren.

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Inhaltsangabe

    Diese seltsame Teilchenart gehört genau wie die bekannteren Elektronen zur Teilchenklasse der Leptonen. Doch was genau sind eigentlich Leptonen und welche Eigenschaften besitzen sie?

    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.

    Als Elementarteilchen bezeichnest Du die kleinsten bekannten Bausteine der Materie (Fermionen) und die Austauschteilchen der fundamentalen Wechselwirkungskräfte (Bosonen). Sie selbst sind nicht aus kleineren Einheiten zusammengesetzt.

    Einen Überblick über alle bekannten Elementarteilchen findest Du in der gleichnamigen Erklärung.

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

    Leptonen Standardmodell Elementarteilchen StudySmarterAbbildung 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.

    Zwischen den bekannten Materieteilchen wirken fundamentale Kräfte, durch die diese Materieteilchen miteinander interagieren.

    Die Gravitationskraft sorgt für die gegenseitige Anziehung zwischen allen Objekten mit einer Masse. Sie nimmt mit steigender Masse und abnehmendem Abstand zwischen den Massen zu. Die elektromagnetische Wechselwirkungskraft sorgt für die Interaktion zwischen elektrischen Ladungen: ungleichnamige Ladungen (negativ und positiv) ziehen sich an, gleichnamige (positiv und positiv, negativ und negativ) stoßen sich ab.

    Die starke und schwache Wechselwirkungskräfte wirken nur bei sehr kleinen Abständen im subatomaren Größenbereich. Die starke Wechselwirkungskraft sorgt für die Anziehung zwischen Quarks (siehe nächster Abschnitt), während die schwache Wechselwirkung verschiedene Elementarteilchen ineinander umwandeln kann und somit unter anderem für den radioaktiven Zerfall verantwortlich ist.

    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.

    Die Grundbausteine der Materie heißen Fermionen, Du kannst sie in Quarks und Leptonen mit jeweils 6 Teilchen in drei Generationen unterscheiden.

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

    Mehr zu den Quarks findest Du in der gleichnamigen Erklärung. Wenn Dich das Thema Atomaufbau interessiert, kannst Du auch dazu mehr in der entsprechenden Erklärung lesen.

    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.

    Leptonen sind eine Klasse der Elementarteilchen und bilden neben den Quarks die Grundbausteine der Materie (Fermionen). Kennzeichnend für Leptonen ist, dass sie nicht von der starken Wechselwirkungskraft beeinflusst werden.

    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.

    Mehr zu diesem Mechanismus findest Du in der entsprechenden Erklärung zum Higgs-Boson.

    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 Masse der Elementarteilchen wird oft in eV (Elektronenvolt) angegeben bzw. in eV pro c2 (Lichtgeschwindigkeit im Quadrat). Dies liegt an der von Einstein entdeckten Äquivalenz von Masse und Energie. Alles Wichtige dazu findest Du in den Erklärungen zur speziellen Relativitätstheorie.

    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.

    Alles zum Phänomen des Spins findest Du in den entsprechenden Erklärungen.

    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.

    Leptonen-Universalität bezeichnet die Theorie, dass das Elektron, Myon und Tauon bis auf ihre Masse identisch sind.

    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.

    Der Leptonenerhaltungssatz besagt, dass die Leptonenzahl L bei einer physikalischen Reaktion erhalten bleibt.

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

    Angenommen, in Deinem System befinden sich 5 Leptonen und drei Anti-Leptonen. Die Leptonen haben jeweils einen Wert von +1, die Anti-Leptonen jeweils -1. Diese Werte addierst Du nun einfach und erhältst die Leptonenzahl L:

    \(L=5\cdot{(-1)}+3\cdot{(-1)}\)

    \(L=2\)

    Nach einer Reaktion muss L weiterhin 2 sein.

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

    Leptonen - Das Wichtigste

    • Als Elementarteilchen bezeichnest Du die kleinsten bekannten Bausteine der Materie (Fermionen) und die Austauschteilchen der fundamentalen Wechselwirkungskräfte (Bosonen). Sie selbst sind nicht aus kleineren Einheiten zusammengesetzt.
    • Die Grundbausteine der Materie heißen Fermionen, Du kannst sie in Quarks und Leptonen mit jeweils 6 Teilchen in drei Generationen unterscheiden.
    • Leptonen gehören zu den Fermionen mit einem Spin von \(s=\frac{1}{2}\) und werden nicht von der starken Wechselwirkungskraft beeinflusst.
    • Zu den Leptonen gehören das elektrisch geladene Elektron, Myon und Tauon, sowie deren neutral geladenen Neutrino-Partner.
    • Neutrinos besitzen keine elektrische Ladung und fast keine Masse, weshalb sie kaum von der Gravitation und der elektromagnetischen Wechselwirkungskraft beeinflusst werden.
    • Das Elektron, Myon und Tauon besitzen jeweils eine elektrische Ladung von \(q=-1e\).
    • Leptonen-Universalität bezeichnet die Theorie, dass das Elektron, Myon und Tauon bis auf ihre Masse identisch sind.
    • Der Leptonenerhaltungssatz besagt, dass die Leptonenzahl L bei einer physikalischen Reaktion erhalten bleibt.

    Nachweise

    1. spektrum.de: Leptonen. (30.08.2022)
    2. home.cern: LHCb explores the beauty of lepton universality (30.08.2022)
    Häufig gestellte Fragen zum Thema Leptonen

    Was sind Leptonen?

    Leptonen sind Elementarteilchen, die zu den Fermionen gehören, also den Grundbausteinen der Materie. Fermionen interagieren nicht mit der starken Wechselwirkungskraft.

    Was unterscheidet Quarks und Leptonen?

    Quarks und Leptonen bilden die Grundbausteine der Materie. Leptonen werden im Gegensatz zu Quarks jedoch nicht durch die starke Wechselwirkungskraft beeinflusst.

    Welche Eigenschaften haben Leptonen?

    Insgesamt gibt es sechs verschiedene Leptonen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Alle Leptonen kennzeichnet allerdings, dass sie nicht mit der starken Wechselwirkung interagieren.

    Was bedeutet Leptonen-Universalität?

    Das Prinzip der Leptonen-Universalität besagt, dass die drei Teilchen Elektron, Myon und Tauon auf dieselbe Weise mit anderen Teilchen interagieren.

    Teste dein Wissen mit Multiple-Choice-Karteikarten

    Gib an, welche Teilchen nicht von der starken Wechselwirkungskraft beeinflusst werden.

    Gib die elektrische Ladung von Elektronen, Myonen und Tauonen an.

    Gib an, von welcher Wechselwirkungskraft Neutrinos am stärksten beeinflusst werden.

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