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Die '''Teilchenphysik''' ist eine Disziplin der [[Physik]], die sich mit der Erforschung der subatomaren [[Teilchen]], insbesondere der [[Elementarteilchen]], befasst. So werden beispielsweise [[Hadron|Hadronen]] theoretisch und experimentell untersucht.

== Inhalte ==
In der modernen Teilchenphysik werden physikalische [[Modell]]e vor allem durch [[Colliding-Beam-Experiment]]e an [[Teilchenbeschleuniger]]n überprüft, indem verschiedene Teilchen aufeinandergeschossen werden (beispielsweise [[Elektron]]en auf [[Positron]]en). Die entstehenden Reaktionsprodukte, deren Verteilung in den [[Teilchendetektor|Teilchen-]] und [[Strahlungsdetektor]]en sowie die [[Energieerhaltungssatz|Energie-]] und [[Impulserhaltungssatz|Impulsbilanz]] geben Aufschluss über Eigenschaften schon bekannter oder vermuteter „neuer“ Teilchenarten.

Diese Experimente benötigen beschleunigte Teilchenstrahlen sehr hoher Energie. Deshalb wird oft von der [[Hochenergiephysik]] statt der Teilchenphysik gesprochen; diese Bezeichnung wird allerdings auch für [[schwerion]]enphysikalische Experimente bei hohen Energien benutzt.

Die [[Kernphysik]] beschäftigt sich dagegen mit den [[Nukleon|Nukleonen]] bzw. der Struktur des [[Atomkern|Atomkerns]]. Die [[Atomphysik]] beschäftigt sich mit dem [[Atom]] oder [[Molekül|Molekülen]]. Ursprünglich gab und gibt es einzelne Überschneidungen zwischen den genannten Teildisziplinen. Als nach und nach immer mehr Teilchen bekannt wurden, widmete man sich deren Ordnung nach ihren Eigenschaften und begann auch Vorhersagen über noch nicht beobachtete Teilchen aufzustellen. Der gegenwärtige Stand der Teilchenphysik – und viele ihrer Vorhersagen – ist im sogenannten [[Standardmodell]] zusammengefasst.

== Standardmodell der Elementarteilchenphysik ==
{{Hauptartikel|Standardmodell|Elementarteilchen|Subatomares Teilchen}}

Das heutige Wissen über die Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen wird im Standardmodell der Elementarteilchenphysik zusammengefasst. Das Standardmodell erlaubt eine konsistente Beschreibung der [[Starke Wechselwirkung|starken]], der [[Schwache Wechselwirkung|schwachen]] und der [[Elektromagnetische Wechselwirkung|elektromagnetischen]] Wechselwirkung in Form von [[Quantenfeldtheorie]]n.

Im Standardmodell existieren zwölf Teilchenarten, welche in [[Lepton]]en und [[Quark (Physik)|Quarks]] unterteilt werden. Von jeder Quarkart gibt es drei Teilchen und zu jedem Teilchen existiert ein Antiteilchen. Die Kräfte, welche zwischen diesen Teilchen wirken, werden durch den Austausch von [[Eichboson]]en vermittelt. Für die elektromagnetische Wechselwirkung ist dies das masselose [[Photon]], für die schwache Wechselwirkung sind dies die zwei massiven [[W-Boson]]en und das ebenfalls massive [[Z-Boson]], während die starke Wechselwirkung durch acht masselose [[Gluon]]en vermittelt wird. Auch gibt es die Annahme, dass ein [[Graviton]] existieren könnte, welches die [[Gravitation]] vermittelt.

Ein wichtiger Unterschied gegenüber Vorstellungen der Alltagswelt und der klassischen Physik ist, dass das Standardmodell sehr stark [[Holismus|holistisch]] geprägt ist. Verbinden sich mehrere Bausteine zu einem einzigen neuen Gegenstand, stellt man sich klassisch vor, dass die Bausteine im neuen Gegenstand noch vorhanden sind und dort weiterexistieren; bei einem Zerfall des neuen Gegenstandes erhält man wie beim Auseinanderbauen eines [[Lego]]-Modells wieder die ursprünglichen Bausteine. Auch im Standardmodell können zwei zusammenstoßende Teilchen (z. B. ein Elektron und ein [[Positron]]) sich zu einem einzigen (z. B. einem [[Photon]]) verbinden. Das neue Teilchen wird jedoch nicht als aus den beiden ursprünglichen zusammengesetzt gedacht, sondern ist wieder ein „unteilbares“ Elementarteilchen (d. h. ohne innere Struktur). Diese Vorstellung entspricht der Beobachtung, dass das neue Teilchen in Teilchen anderer Arten (z. B. [[Myon]]en) zerfallen kann als die, aus denen es entstanden ist.

Im Juli 2012 wurde am [[CERN]] außerdem die Entdeckung des massiven [[Higgs-Boson]]s verkündet und damit als neues Elementarteilchen ins Standardmodell eingeführt.<ref name="CERN20120704">{{Internetquelle |url=http://press.web.cern.ch/press-releases/2012/07/cern-experiments-observe-particle-consistent-long-sought-higgs-boson |titel=CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson |hrsg=Pressemitteilung von CERN |datum=2012-07-04 |zugriff=2023-06-18}}</ref>

Der [[Higgs-Mechanismus]] beschreibt das Zustandekommen der Masse der Materie, sowie der schwachen Eichbosonen, als Resultat der Kopplung an das Higgs-Feld.

Es steht aus theoretischen Überlegungen fest, dass das Standardmodell oberhalb bestimmter Teilchenenergien keine korrekte Beschreibung der Welt liefern kann. Aus diesem Grund wurden auch ohne empirische Daten, die auf ein Versagen des Standardmodells hinweisen, Erweiterungen des Standardmodells entwickelt („Beyond the Standard Model“). Davon seien hier die [[Supersymmetrie]] und die [[Stringtheorie]] genannt.

== Experimentelle Teilchenphysik ==
[[Datei:02 Fermilab - Fermi National Accelerator Laboratory - American particle accelerator Fermilab near Chicago Illinois.jpg|mini|Fermi National Accelerator Laboratory]]
In der Teilchenphysik werden [[Streuexperiment]]e durchgeführt, meist in Form von Colliding-Beam-Experimenten.

Die größten internationalen Labore für Teilchenphysik sind:
* [[CERN]], an der [[Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz|französisch-schweizerischen Grenze]] nahe [[Genf]]. Die Hauptbeschleuniger sind der mittlerweile abgebaute [[Large Electron-Positron Collider|LEP]]-Ring (Large Electron-[[Positron]] Collider) und der [[Large Hadron Collider|LHC]] (Large [[Hadron]] Collider).
* [[DESY]] in [[Hamburg]] (Deutschland). Hauptbeschleuniger war [[Deutsches Elektronen-Synchrotron#HERA|HERA]] (Außerbetriebnahme am 30. Juni 2007). Hier wurden Elektronen oder [[Positron]]en mit [[Proton]]en zur Kollision gebracht.
* [[SLAC]], nahe Palo Alto (USA). Hauptbeschleuniger ist PEP-II, hier werden Elektronen mit [[Positron]]en zur Kollision gebracht.
* [[Fermi National Accelerator Laboratory|Fermilab]], nahe Chicago (USA). Hauptbeschleuniger war das [[Tevatron]] (Außerbetriebnahme am 30. September 2011), das [[Proton]]en mit [[Proton|Antiprotonen]] zur Kollision brachte.
* [[Brookhaven National Laboratory]], Long Island (USA). Hauptbeschleuniger ist der [[RHIC]] (Relativistic Heavy Ion Collider), der [[Schwerion]]en (z. B. [[Gold]]) oder [[Proton]]en zur Kollision bringt.
* [[KEK (Forschungszentrum)|KEK]], [[Tsukuba (Ibaraki)|Tsukuba]] ([[Japan]]). Hauptbeschleuniger ist [[KEKB]], jetzt erweitert zum Beschleuniger [[SuperKEKB]], für Untersuchungen von [[B-Meson]]en.

Darüber hinaus gibt es viele weitere Teilchenbeschleuniger, welche je nach physikalischer Fragestellung in unterschiedlichen Energiebereichen arbeiten.

Vor der Entwicklung der Beschleuniger für den GeV-Energiebereich war die einzige Quelle hochenergetischer Teilchen die [[kosmische Strahlung]], damals meist Höhenstrahlung genannt. Viele Teilchen, z. B. Myon, Pion, Kaon, wurden zuerst in der kosmischen Strahlung entdeckt. Dazu nutzte man Messungen auf Berggipfeln oder mit photoempfindlichen Platten, die von [[Freiballon]]s getragen wurden.

== Literatur ==
{{Siehe auch|Hochenergiephysik|Quantenfeldtheorie|Quantenchromodynamik}}

=== Fachartikel ===
* {{Literatur |Autor=Particle Data Group u. a. |Titel=Review of Particle Physics |Sammelwerk=Progress of Theoretical and Experimental Physics |Band=2022 |Nummer=8 |Datum=2022-08-08 |Sprache=en |DOI=10.1093/ptep/ptac097 |Seiten=083C01}}
* {{Literatur |Autor=[[Guido Altarelli]] |Titel=Particle Physics in the LHC Era and beyond |Datum=2010-02-26 |Sprache=en |arXiv=abs/1002.4957}}

=== Fachbücher ===
* {{Literatur |Autor=[[Jörn Bleck-Neuhaus]] |Titel=Elementare Teilchen: Von den Atomen über das Standard-Modell bis zum Higgs-Boson |Auflage=2. |Verlag=Springer Berlin Heidelberg |Ort=Berlin, Heidelberg |Datum=2013 |Reihe=Springer-Lehrbuch |ISBN=978-3-642-32578-6 |DOI=10.1007/978-3-642-32579-3}}
* {{Literatur |Autor=[[Bogdan Povh]], Klaus Rith, Christoph Scholz, Frank Zetsche, Werner Rodejohann |Titel=Teilchen und Kerne: Eine Einführung in die physikalischen Konzepte |Auflage=9. |Verlag=Springer Berlin Heidelberg |Ort=Berlin, Heidelberg |Datum=2014 |Reihe=Springer-Lehrbuch |ISBN=978-3-642-37821-8 |DOI=10.1007/978-3-642-37822-5}}
* {{Literatur |Autor=[[Harald Fritzsch]], [[Murray Gell-Mann]] |Titel=50 Years of Quarks |Verlag=World Scientific |Datum=2015 |ISBN=978-981-4618-09-0 |DOI=10.1142/9249}}
* {{Literatur |Autor=Giles Barr, Robin Devenish, Roman Walczak, Tony Weidberg |Titel=Particle Physics in the LHC Era |Auflage= |Verlag=Oxford University Press |Ort=Oxford |Datum=2016 |Sprache=en |ISBN=978-0-19-874855-7 |DOI=10.1093/acprof:oso/9780198748557.001.0001}}
* {{Literatur |Autor=Gerhard Ecker |Titel=Teilchen, Felder, Quanten: von der Quantenmechanik zum Standardmodell der Teilchenphysik |Verlag=Springer Spektrum |Ort=Berlin |Datum=2017 |ISBN=978-3-662-54549-2 |DOI=10.1007/978-3-662-54550-8}}
* {{Literatur |Autor=Brain R. Martin, Graham Shaw |Titel=Nuclear and Particle Physics |Auflage=3. |Verlag=Wiley |Ort=Hoboken, NJ |Datum=2019 |Sprache=en |ISBN=978-1-119-34462-9}}
* {{Literatur |Autor=Alexander Belyaev, Douglas Ross |Titel=The Basics of Nuclear and Particle Physics |Verlag=Springer International Publishing |Ort=Cham |Datum=2021 |Sprache=en |Reihe=Undergraduate Texts in Physics |ISBN=978-3-030-80115-1 |DOI=10.1007/978-3-030-80116-8}}

=== Ältere Werke ===

* {{Literatur |Autor=[[Emilio Segrè]] |Titel=Nuclei and Particles |Auflage=2. |Verlag=Benjamin/Cummings Pub. Co. |Datum=1977 |Reihe=Advanced Book Program |Online=https://archive.org/details/nucleiparticlesi0000segr}}
* {{Literatur |Autor=Robert N. Cahn, Gerson Goldhaber |Titel=The Experimental Foundations of Particle Physics |Auflage=2 |Verlag=Cambridge University Press |Datum=2001 |Sprache=en |ISBN=978-0-521-52147-5 |DOI=10.1017/CBO9780511609923}}
* {{Literatur |Autor=[[David J. Griffiths]] |Titel=Introduction to Elementary Particles |Auflage=2., rev. ed., 5. reprint |Verlag=Wiley-VCH |Ort=Weinheim |Datum=2011 |Reihe=Physics Textbook |ISBN=978-3-527-40601-2|Originaltitel=Id.|Originaljahr=1987}}

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
{{Wikibooks}}
{{Commons|Particle physics}}
* {{DNB-Portal|4014414-8}}

=== Fachgruppen ===
* [https://www.ketweb.de Komitee für Elementarteilchenphysik (KET)]

=== Für Schüler und Einsteiger ===
* [http://kworkquark.desy.de/ KworkQuark (DESY)]
* [https://www.teilchenwelt.de Netzwerk Teilchenwelt]
* [http://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/teilchenphysik Teilchenphysik] auf Schülerniveau ([[LEIFIphysik]])

=== Ältere Informationen ===
* [https://www.teilchenphysik.de/ Teilchenphysik in Deutschland] (Archiv-Webseite Stand 2011, gehostet von DESY, letzte Aktualisierung 2016)

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4014414-8}}

[[Kategorie:Teilchenphysik| ]]
[[Kategorie:Physikalisches Fachgebiet]]

Teilchenphysik - Versionsgeschichte

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