Elementarteilchen

Elektronen und Quarks enthalten keine erkennbare Struktur; sie lassen sich nicht in kleinere Bestandteile zerlegen oder trennen. Es ist daher sinnvoll, sie als „Elementarteilchen“ zu bezeichnen, eine Bezeichnung, die in der Vergangenheit fälschlicherweise für Teilchen wie das Proton verwendet wurde, das in Wirklichkeit ein komplexes Teilchen ist, das Quarks enthält. Der Begriff „subatomare Teilchen“ bezieht sich sowohl auf die eigentlichen Elementarteilchen, wie Quarks und Elektronen, als auch auf die größeren Teilchen, die Quarks bilden.

Obwohl beide Elementarteilchen sind, unterscheiden sich Elektronen und Quarks in mehreren Punkten. Während die Quarks zusammen mit den Nukleonen den Atomkern bilden, bewegen sich die Elektronen im Allgemeinen an der Peripherie der Atome. In der Tat werden Elektronen als etwas anderes als Quarks betrachtet und in eine eigene Gruppe von Elementarteilchen, die Leptonen, eingeordnet. Es gibt mehrere Arten von Leptonen, ebenso wie es mehrere Arten von Quarks gibt (siehe unten Quarks und Antiquarks). Für die Bildung von Protonen und Neutronen sind jedoch nur zwei Arten von Quarks erforderlich, die zusammen mit dem Elektron und einem weiteren Elementarteilchen alle Bausteine darstellen, die für den Aufbau der Alltagswelt notwendig sind. Das letzte benötigte Teilchen ist ein elektrisch neutrales Teilchen, das Neutrino.

Neutrinos existieren in Atomen nicht in dem Sinne wie Elektronen, aber sie spielen eine entscheidende Rolle bei bestimmten Arten von radioaktivem Zerfall. In einem grundlegenden Prozess einer Art von Radioaktivität, dem so genannten Betazerfall, verwandelt sich ein Neutron in ein Proton. Bei dieser Umwandlung erwirbt das Neutron eine Einheit positiver Ladung. Um die Gesamtladung im Betazerfallsprozess konstant zu halten und damit dem grundlegenden physikalischen Gesetz der Ladungserhaltung zu entsprechen, muss das Neutron ein negativ geladenes Elektron aussenden. Darüber hinaus sendet das Neutron auch ein Neutrino (genau genommen ein Antineutrino) aus, das keine oder nur eine geringe Masse und keine elektrische Ladung besitzt. Betazerfälle sind wichtig für die Übergänge, die bei der Umwandlung instabiler Atomkerne zu stabileren Kernen auftreten, und aus diesem Grund sind Neutrinos ein notwendiger Bestandteil bei der Erforschung der Natur der Materie.

Das Neutrino gehört wie das Elektron zu den Leptonen. Auf den ersten Blick scheint es also nur vier Arten von Elementarteilchen zu geben – zwei Quarks und zwei Leptonen. In den 1930er Jahren, lange bevor das Konzept der Quarks etabliert wurde, wurde jedoch klar, dass die Materie komplizierter ist.