Was ist der Unterschied zwischen Quarks und Leptonen?

Die Teilchenphysik ist das Teilgebiet der Physik, das sich mit der Untersuchung elementarer subatomarer Teilchen befasst – der Teilchen, aus denen Atome bestehen. Im frühen 20. Jahrhundert wurden viele experimentelle Durchbrüche erzielt, die darauf hindeuteten, dass Atome, von denen angenommen wurde, dass sie die kleinsten Bestandteile der Materie sind, aus noch kleineren Teilchen bestehen. Neue Theorien wurden entwickelt, um dies zu erklären (wie das Standardmodell der Teilchenphysik), viele neue Experimente wurden entworfen (unter Verwendung von Geräte wie Teilchenbeschleuniger) und es wurde allmählich klar, dass die Teilchen, aus denen Atome bestehen, sogar zerlegt werden können des Weiteren. Zwei Beispiele für solche Teilchen sind Quarks und Leptonen, und obwohl diese Teilchentypen viel gemeinsam haben, sind ihre Unterschiede oft stark.

Quarks (benannt vom Nobelpreisträger Murray Gell-Mann nach einem Zitat aus dem Buch "Finnegan's Wake" von James Joyce) und Leptonen gelten derzeit als die grundlegendsten Teilchen, die es gibt; das heißt, sie können nicht in weitere Bestandteile zerlegt werden. Quarks und Leptonen sind auch selbst keine Teilchen; sie beziehen sich vielmehr auf Familien von Partikeln, die jeweils sechs Mitglieder enthalten. Die Quark-Familie von Teilchen besteht aus up-, down-, top-, bottom-, Charm- und Strange-Partikeln, während Leptonen bestehen aus dem Elektron, Elektron-Neutrino, Myon, Myon-Neutrino, Tau und Tau-Neutrino Partikel. Es gibt auch Antiteilchen, die mit jedem Teilchen verbunden sind, wobei das Antiteilchen der Spiegel gegenüber dem entsprechenden Teilchen ist (z. B. mit der entgegengesetzten Ladung).

Leptonen haben eine elektrische Ladung von entweder einer Grundladungseinheit (definiert als die Ladung einer einzelnen Elektron), im Falle des Elektrons, Myon oder Tau, oder keine Ladung, im Fall des entsprechenden Neutrinos. Quarks hingegen haben jeweils Bruchteilladungen (+/- 1/3 oder +/- 2/3, je nach Quark). Gruppiert man diese Quarks, ergibt die Summe ihrer Ladungen immer eine ganzzahlige Ladung. Wenn beispielsweise zwei Up-Quarks und ein Down-Quark (mit Ladungen von +2/3 bzw. -1/3) zusammen gruppiert werden, addiert sich die Summe der Ladungen zu +1 und ein neues Teilchen entsteht. Dieses neue Teilchen ist das Proton, einer der Hauptbestandteile des Atomkerns.

Während Quarks alle eine Bruchteilladung haben, wird ein Quark in der Natur niemals frei existieren; Dies liegt an einer fundamentalen Kraft, die als "starke Kraft" bekannt ist. Die starke Kraft, die vermittelt wird durch Kraft tragende Teilchen, die Gluonen genannt werden, wirken im Kern von Atomen und halten Quarks von einem angezogen Ein weiterer. Die Kraft zwischen den Quarks nimmt zu, wenn sie sich auseinander bewegen, wodurch sichergestellt wird, dass nie ein freies Quark entdeckt wird. Das Forschungsgebiet, das sich den Wechselwirkungen zwischen Quarks und Gluonen widmet, heißt Quantenchromodynamik (QCD). Leptonen hingegen sind sehr "unabhängige" Teilchen und können isoliert werden.

In der Natur gibt es vier fundamentale Kräfte: die starke Kraft (die Atomkerne und Quarks zusammenhält), die schwache Kraft (die verantwortlich ist für radioaktiver Zerfall), die elektromagnetische Kraft (die Atome zusammenhält) und die Gravitationskraft (die auf jedes Objekt mit Masse oder Energie im Universum). Quarks unterliegen allen fundamentalen Kräften; Leptonen hingegen unterliegen allen Kräften außer der starken Kraft. Dies liegt daran, dass die starke Kraft eine sehr kurze Reichweite hat, typischerweise kleiner als die eines Atomkerns; daher ist die starke Kraft im Allgemeinen auf diesen Bereich beschränkt. Die schwachen, elektromagnetischen und Gravitationskräfte können dagegen über eine viel größere Distanz wirken als die starke Kraft.