Generation (Teilchenphysik)

Bekannte elementare Materieteilchen

	Generation 1		Generation 2		Generation 3
geladenes Lepton	Elektron	$e\,$	Myon	$\mu\,$	Tau	$\tau\,$
Neutrino	Elektron- neutrino	$\nu_e\,$	Myon- neutrino	$\nu_\mu\,$	Tau- neutrino	$\nu_\tau\,$
Quarks	Up	$u\,$	Charm	$c\,$	Top	$t\,$
	Down	$d\,$	Strange	$s\,$	Bottom	$b\,$

In der Teilchenphysik werden die zwölf bekannten elementaren Materieteilchen oft in drei sogenannte Generationen zu je vier Teilchen plus deren Antiteilchen kategorisiert. (Die Bezeichnung Generation hat hier nichts zu tun mit beispielsweise "Mutter-" und "Tochter"-Zuständen bei Zerfallsvorgängen.)

Jede Generation besteht aus einem elektrisch geladenen Lepton (Elektron, Myon oder τ-Lepton), einem zugehörigen Neutrino und zwei Quarks. Alle Atome des Periodensystems und die aus ihnen aufgebauten Strukturen (Moleküle, Zellen, ...) sind aus den Teilchen der ersten Generation aufgebaut: Die den Atomkern bildenden Protonen und Neutronen bestehen aus Up-Quarks und Down-Quarks, die Elektronen der Atomhülle sind selbst Elementarteilchen der ersten Generation.

Verhältnis der Generationen

Massen

Die zweite und dritte Generation werden oft näherungsweise als Kopien der ersten Generation mit größerer Masse und ansonsten identischen Eigenschaften der Teilchen angesehen. So verhält sich nach dem Standardmodell der Teilchenphysik (SM) ein Myon bezüglich seiner Wechselwirkungen mit anderen Teilchen im Wesentlichen so wie ein Elektron. Unterschiede kommen lediglich durch die höhere Masse zustande, können aber drastisch sein - das Myon ist beispielsweise im Gegensatz zum Elektron nicht stabil. Die Massenverhältnisse der Teilchen aus unterschiedlichen Generationen folgen keinem bekannten Schema.

Die Annahme, Teilchen höherer Generation seien Kopien der unteren Generationen mit lediglich größeren Massen, ist oft praktisch, tatsächlich aber nur näherungsweise korrekt. Zum einen sind die Massen der Neutrinos schlicht nicht bekannt. Zum anderen wird die Relation der Generationen untereinander durch die elektroschwache Symmetriebrechung verkompliziert. Bei dieser Symmetriebrechung mischen Felder (genauer: Wechselwirkungseigenzustände) verschiedener Generation zu neuen beobachtbaren Teilchen (Masseneigenzuständen).

Stabilität

Zerfall eines freien Myons in sein Neutrino und Teilchen der Generation 1.

Mit Ausnahme der nahezu masselosen Neutrinos können freie Teilchen der zweiten und dritten Generation aufgrund ihrer im Vergleich zur ersten Generation höheren Masse spontan über ein W-Boson in Teilchen einer kleineren Generation zerfallen. Das Myon und das τ-Lepton, deren einzige bekannte Zerfallmöglichkeit dieser Prozess ist, haben Lebensdauern im Bereich Mikrosekunden und kleiner.

Anzahl der Generationen

Die Existenz einer vierten, fünften,.... Generation mit entsprechenden noch nicht experimentell nachgewiesenen Elementarteilchen kann nicht ausgeschlossen werden, aber es sind keine Hinweise für weitere Generationen bekannt. Ein bekannter experimenteller Test auf das mögliche Vorhandensein weiterer Generationen ist eine Untersuchung der Lebensdauer des Z-Bosons am LEP^[1]. Da die Neutrinomassen der ersten drei Generationen sehr gering sind, könnte man annehmen, die Masse eines Neutrinos der vierten Generation sei kleiner als die halbe Masse des Z-Bosons. In diesem Fall könnte das Z-Boson in ein Neutrino und ein Antineutrino der vierten Generation zerfallen, was die Lebensdauer des Z-Bosons reduzieren würde. Durch Vergleich der gemessenen Lebensdauer mit Berechnungen konnte die Existenz einer vierten Generation mit einer Neutrinomasse kleiner als 40 MeV mit 98 Prozent Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden.

Siehe auch

• Elementarteilchen
• CKM-Matrix

Einzelnachweise

1. ↑ D. Decamp: Determination of the number of light neutrino species. In: Physics Letters B. 231, Nr. 4, 1989, S. 519. doi:10.1016/0370-2693(89)90704-1.