Es gibt zwei Gruppen, in die die Elementarteilchen (die fundamentalen Teilchen) eingeteilt werden können.
Die erste Gruppe sind die Fermionen oder auch Materieteilchen genannt. Zu den Fermionen zählen die Leptonen und Quarks. Die Fermionen haben halbzahligen Spin.
Die zweite Gruppe ist die Gruppe der Bosonen. Die Bosonen werden auch als Austauschteilchen bezeichnet. Hierzu zählen die Photonen, Gluonen, W- und Z-Teilchen. Die Bosonen haben ganzzahligen Spin.
Im Gegensatz zu den Bosonen befolgen die Fermionen zwei strenge Erhaltungssätze:
Außerdem folgen die Fermionen dem Pauli-Prinzip, d.h. es können zwei Fermionen nicht gemeinsam im gleichen Zustand sein (auf das Pauli-Prinzip wird im Kapitel Ununterscheidbarkeit näher eingegangen). Die Aussage, dass die Fermionen somit die stabilen Bausteine der Materie sein müssen, kann zusätzlich damit untermauert werden, dass noch nie die Vernichtung von Quarks zugunsten von Leptonen und umgekehrt beobachtet wurde.
Die Fermionen werden oft folgendermaßen angegeben:
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3 Familien: |
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|---|---|---|---|
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Leicht |
Mittel |
Schwer |
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Leptonen |
Elektron e− |
Myon μ− |
Tauon τ− |
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Elektron-Neutrino νe |
Myon-Neutrino νμ |
Tauon-Neutrino ντ |
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Quarks |
Down d |
Charm c |
Bottom b |
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Up u |
Strange s |
Top t |
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Die Kräfte zwischen den Fermionen werden von drei grundlegenden Wechselwirkungen, als deren Vermittler die Bosonen betrachtet werden, bestimmt.
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Bosonenart |
Wechselwirkung |
wirkt zwischen |
|---|---|---|
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Photon |
Elektromagnetismus |
geladenen Teilchen |
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Gluon |
starke Wechselwirkung / "Kernkraft" |
Quarks |
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W- und Z-Teilchen (Vektorbosonen) |
schwache Wechselwirkung |
allen Teilchen |
Es wird oftmals von vier Wechselwirkungen gesprochen. Die vierte Wechselwirkung ist die Gravitation, wobei das zugehörige Austauschteilchen das Graviton sein soll. Es gibt bisher jedoch keinerlei Anzeichen, dass man das Graviton nachweisen könnte. Aus diesem Grund wird hier nur auf die drei anderen Wechselwirkungen eingegangen.
Mit diesen Bausteinen kann die gesamte Materie erklärt bzw. aufgebaut werden. Auch Proton und Neutron sind nach heutiger Sicht zusammengesetzte Teilchen und werden Nukleonen genannt. Sie bestehen aus je drei Quarks und gehören deshalb zur Gruppe der Baryonen. Das Proton besteht aus zwei Up- und einem Down-Quark, beim Neutron ist es genau umgekehrt.
Dies ist der Kern des heutigen Standardmodells der Elementarteilchenphysik.