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Lexikon der Astronomie: Leptonen

lepton: leicht Die Leptonen sind neben den Quarks nach dem Standardmodell der Elementarteilchen die Grundbausteine der Materie. Wie die Quarks auch sind sie punktförmige Objekte und weisen keine Substruktur auf. In der Quantenfeldtheorie beschreibt man diese Teilchen mit Wellenfunktionen.

Schwache Kraft zieht am Lepton

drei Leptonenfamilien Der Begriff Lepton leitet sich vom griechischen Wort leptos ab, was im Deutschen soviel heißt, wie 'leicht, zart, fein'. Per definitionem unterliegen alle Leptonen nur der schwachen Wechselwirkung, aber nicht der starken Wechselwirkung.

Trio-Familie: e, μ, τ

Man kann die Leptonenfamilie in drei Generationen unterscheiden. Die erste Generation umfasst Elektron und Elektron-Neutrino. Die zweite Myon, das schwerer ist als das Elektron und Myon-Neutrino. Schließlich sind in der dritten Generation das schwerste Lepton (das sogar fast doppelt so schwer ist als das Proton!), das Tauon, und das zugehörige Tau-Neutrino. Den Neutrinos konnte in den Superkamikande-Experimenten in Japan eine endliche Ruhemasse nachgewiesen werden.
Alle Leptonen sind Fermionen, weil sie einen Teilchenspin von 1/2 haben. Demzufolge unterliegen sie dem Pauli-Verbot, ein Prinzip, dass zwei und mehr Fermionen verbietet in exakt demselben quantenmechanischen Zustand zu sein.

Massen und elektrische Ladungen der Leptonen

  • Elektron: 510.998902 keV, -1 (in Einheiten der Elementarladung e)
  • Elektron-Neutrino: 7 eV als Obergrenze, 0
  • Myon: 105.658357 MeV, -1
  • Myon-Neutrino: 300 keV als Obergrenze, 0
  • Tauon: 1.77699 GeV, -1
  • Tau-Neutrino: 30 MeV als Obergrenze, 0

(Quellen: CERN Homepage und Particle Physics Booklet, Juli 2002)

Auch ein Isospin schwächelt

Daneben gibt es weitere Quantenzahlen, deren vollständige Darstellung den Rahmen hier sprengen würde. Besonders wichtig ist allerdings noch der schwache Isospin, der eine übersichtliche Klassifikation von Quarks und Leptonen gestattet. In den drei obigen so genannten Generationen oder Familien kann man dann auch alle sechs Quarks unterbringen. Der schwache Isospins genügt ebenso wie der 'normale' Spin (Eigendrehimpuls), der Isospin der Nukleonen, der Bahndrehimpuls (Drehimpuls bezüglich eines Raumpunktes) und der Gesamtdrehimpuls einer Drehimpulsalgebra mit den wohl definierten Kommutatorrelationen eines Drehimpulses.

Rechts- und Linkshänder

Die Lösungen der Dirac-Gleichung der Quantenelektrodynamik sind linkshändige und rechtshändige Teilchen. Der gravierende Unterschied zwischen rechtshändigen und linkshändigen Teilchen ist, dass nur die linkshändigen an der schwachen Wechselwirkung teilnehmen. Die Unterteilung gemäß ihrer Händigkeit (grch. cheir: Hand) nennt man Chiralität. Für masselose Teilchen stimmen Chiralität und Helizität überein. Die rechtshändigen Teilchen besitzen Helizität +1 und die linkshändigen Teilchen Helizität -1. Die linkshändigen Teilchen bilden ein so genanntes schwaches Isospindublett (schwacher Isospin 1/2) und unterscheiden sich nur in der dritten Komponente des Isospinvektors, der so genannten Isospinprojektion. Neben Elektron und Elektron-Neutrino sind demnach in der ersten Generation das up-Quark und das down-Quark (alle linkshändig), in der zweiten neben dem Myon und Myon-Neutrino das charm-Quark und das strange-Quark und schließlich in der dritten Generation befinden sich neben Tauon und Tau-Neutrino das bottom-Quark und das schwere top-Quark.
Die rechtshändigen Teilchen bilden ein schwaches Isospinsingulett (schwacher Isospin 0). Hier befinden sich alle rechtshändigen Pendants zu den obigen linkshändigen Teilchen, auch die Neutrinos! Die Messungen am Super-Kamiokande im Japan haben 1998 belegt, dass Neutrinos eine Masse haben. Damit gibt es sie sowohl als links- als auch als rechtshändige Teilchen!

Opas, Papas & Söhne bei den Leptonen

Eine experimentelle Verifikation der Anzahl der Lepton-Generationen bietet die Breite der Z-Resonanz. Das Z bezieht sich dabei auf das neutrale Eichboson der schwachen Wechselwirkung, Z0, das das schwerste Vektorboson der schwachen Wechselwirkung ist und auch als neutraler Strom bezeichnet wird.
Die DELPHI-Kollaboration am CERN hat die Z-Resonanz bei der Hadronenproduktion in Elektron-Positron-Stößen vermessen. Es folgt, und zwar unabhängig vom Standardmodell, dass es drei Generationen geben muss! Eine vierte ist mit 95%iger Sicherheit ausgeschlossen!
Die enge Verwandtschaft von Elektron, Myon und Tauon und deren gleiche elektrische Ladung lässt faszinierende, neue Materieformen zu: So ist es möglich ein Myon-Atom herzustellen, wo nicht Elektronen, sondern Myonen den Kern 'umkreisen'. Die Herstellung ist natürlich aufwendig und Myon-Atome sind recht kurzlebig. Außerdem ist eine industrielle Anwendung dieser Materieform nicht gefunden worden.

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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