Was genau ist das eigentlich? - Begriffe der Astroteilchenphysik
In der Astroteilchenphysik erforschen wir Teilchen, Strahlung und Gravitationswellen, die aus den Tiefen des Weltraums kommen und auf die Erde treffen. Wir nennen sie Boten, weil sie uns Informationen über die Entstehung und Beschaffenheit des Universums mitbringen.
Hier kannst Du mehr über den Weltraum und seine Boten erfahren:
- Antiteilchen
- Atomkerne
- Betazerfall
- Detektoren
- Dunkle Materie
- Elementarteilchen
- Energie
- Gammaquanten
- Gravitationswellen
- Kosmologie
- Neutrinoloser doppelter Beta-Zerfall
- Neutrinos
- Neutrinomasse
- Neutrinooszillationen
- Neutronensterne
- Photonen
- Schwarze Löcher
- Standardmodell
- Supernova
- Urknall
Antiteilchen
Zu jeder Teilchensorte gibt es ein Antiteilchen, das die gleiche Masse wie das Teilchen hat, aber die entgegengesetzte elektrische Ladung.
Atomkerne
Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen. Sie werden danach unterschieden, wie viele Protonen und Neutronen in einem Kern enthalten sind. Sie sind einige Femtometer (1fm = 1015m) groß und bilden zusammen mit der 10.000fach größeren Elektronenhülle die Atome. Die Zahl der Protonen bestimmt, zu welchem chemischen Element der Kern gehört.
Betazerfall
Der Betazerfall ist eine Zerfallsart von instabilen Atomkernen. Dabei entsteht neben dem Tochterkern ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino oder deren Antiteilchen, Positron und Elektron-Neutrino. Sehr selten gibt es auch sog. doppelte Betazerfälle, bei denen zwei Elektronen und zwei Elektron-Antineutrinos entstehen (oder deren Antiteilchen).
>Detektoren
Detektoren sind Geräte, mit denen wir einzelne Teilchen oder deren Reaktionen nachweisen. Sie sind in der Lage, z.B. die Art des Teilchens, dessen Energie und dessen Herkunftsrichtung zu bestimmen. In der Astroteilchenphysik sind Detektoren häufig so riesig, dass sie in kein Labor passen, sondern an entlegenen Stellen der Erde betrieben werden. Andere Detektoren müssen gegen Störeinflüsse abgeschirmt werden und werden deswegen z.B. tief unter kilometerdicken Felsabschirmungen betrieben.
Dunkle Materie
Dunkle Materie verrät ihre Existenz bisher nur durch ihre Gravitationswirkung. Wir wissen, dass es im Universum etwa fünfmal mehr Dunkle Materie als "normale Materie" gibt, aber wir wissen nicht, aus was sie besteht. Es können neue, im Standardmodell nicht enthaltene Teilchen sein, oder zum Beispiel auch schwarze Löcher.
Elementarteilchen
Elementarteilchen sind die Bausteine der Materie, die wir kennen. Sie sind winzig klein – viel kleiner als ein Atom. Zu ihnen gehören zum Beispiel die Elektronen, die Neutrinos und die Quarks. Letztere kommen nur als gebundene Zustände vor, zum Beispiel den Protonen und Neutronen, aus denen wiederum die Atomkerne aufgebaut sind.
Energie
Energie kennen wir in der klassischen Mechanik unter anderem als kinetische Energie eines Objekts: E = mv2/2 (m = Masse, v = Geschwindigkeit). Bei Elementarteilchen müssen wir Einsteins Ruheenergie (E = mc2, c = Lichtgeschwindigkeit) mit berücksichtigen und sprechen dann von der Gesamtenergie oder kurz "Energie". Diese kann viel größer sein als die Ruheenergie.
In der Teilchen- und Astroteilchenphysik werden Energien in eV (Elektronvolt) gemessen. 1 eV ist die Energie, die ein Elektron beim Durchqueren einer elektrischen Spannung von 1 Volt gewinnt. Photonen von Licht im sichtbaren Bereich haben Energien von wenigen eV.
Gammaquanten
Gammaquanten sind Photonen mit extrem hoher Energie – Millionen bis Billiarden von eV.
Gravitationswellen
Gravitationswellen sind winzige Verformungen von Raum und Zeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und entstehen, wenn riesige Massen (z.B. schwarze Löcher oder Neutronensterne) sehr stark beschleunigt werden.
Kosmologie
Kosmologie ist die Wissenschaft von der Entwicklung des Universums vom Urknall bis heute und in der Zukunft.
Neutrinoloser doppelter Beta-Zerfall
Der neutrinolose doppelte Beta-Zerfall ist eine Variante des doppelten Beta-Zerfalls, bei dem keine (Anti-) Neutrinos erzeugt werden. Er ist nach dem Standardmodell verboten, könnte aber auftreten, wenn Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind.
Neutrinos
Neutrinos sind die leichtesten Elementarteilchen und die einzigen ungeladenen. Sie werden daher in elektrischen und Magnetfeldern nicht abgelenkt. Überhaupt reagieren sie extrem schwach und können z.B. die gesamte Erde durchdringen, ohne darin mit irgendeinem anderen Teilchen "zusammenzustoßen". Neutrinos kommen in drei verschiedenen Sorten vor, die wir Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino nennen.
Neutrinomasse
Es wurde lange angenommen, dass die Neutrinomasse Null sei. Seit jedoch Neutrinooszillationen experimentell nachgewiesen wurden, wissen wir, dass das nicht stimmt. Die Neutrinomasse ist noch nicht bekannt, aber sie kann maximal etwa ein Millionstel der Masse des nächstleichtesten Elementarteilchens, des Elektrons, betragen.
Neutrinooszillationen
Neutrinooszillationen sind ein quantenmechanischer Effekt, der dafür sorgt, dass sich ein Neutrino einer bestimmten Sorte (z.B. ein Elektron-Neutrino) im Flug in eine andere Sorte (z.B ein Myon-Neutrino) umwandeln kann. Dieser Effekt ist nur möglich, wenn Neutrinos eine von Null verschiedene Masse haben.
Neutronensterne
Neutronensterne sind typischerwise etwa 10 km große "Kugeln aus Atomkernmaterie", mit einer Dichte von einer Billion Kilogramm pro Kubikzentimeter (1012 kg/cm3).
Photonen
Photonen sind "Lichtteilchen". Licht ist eine elektromagnetische Welle, die jedoch nur in ganzzahligen Vielfachen von "Bündeln", einer festen Energie auftritt. Diese Energie hängt von der Wellenlänge ab und wird umso größer, je kleiner die Wellenlänge ist. Ein solches Bündel heißt Photon und ist die kleinste mögliche Lichtmenge. Photonen haben die Masse Null.
Schwarze Löcher
Schwarze Löcher vereinen so viel Masse in so kleinem Volumen, dass noch nicht einmal Licht ihrem Schwerefeld entfliehen kann. Sie sind damit noch extremer als Neutronensterne. Sie werden von Einsteins Relativitätstheorie vorhergesagt, aber es ist unklar, was mit der Materie passiert, die sie "einsaugen".
Standardmodell
Das Standardmodell der Teilchenphysik ist eine sehr erfolgreiche physikalische Theorie, die aus grundlegenden Annahmen abgeleitet wird und derzeit die beobachtbaren und gemessenen Teilcheneigenschaften und -reaktionen korrekt beschreibt.
Supernova
Eine Supernova ist die Explosion eines Sternes, wenn sein Kernbrennstoff aufgebraucht ist und große Teile der Sternmaterie in ein kleines, extrem massives Objekt kollabieren – ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch. Bei einer solchen Explosion wird auch sehr viel Materie ausgestoßen und viel Licht und andere Strahlung erzeugt.
Urknall
Der Urknall ist der "Geburtsvorgang" des Universums. Mit ihm entstanden auch Raum und Zeit.