Austauschteilchen und Ladungen

Welche Austauschteilchen können vorkommen?
Welche Austauschteilchen bei den 4 Grundprozessen der vorigen Seite entstehen können, wird von einer Eigenschaft geregelt, die man Ladung nennt. Zu jedem Austauschteilchen (jeder Wechselwirkung) gehört eine bestimmte Sorte von Ladung. Es gibt also eine Elektrische Ladung, eine Schwache Ladung, und eine Starke Ladung. Besitzt ein Teilchen die jeweilige Ladung nicht, so kann es auch das zugehörige Austauschteilchen nicht aussenden oder einfangen.

Die Kraftwirkungen auf elektrische Ladungen sind uns allen gut bekannt. Von der Starken oder Schwachen Ladung merken wir im Alltag nichts, weil die zugehörigen Kräfte eine sehr kurze Reichweite haben, kleiner als der Durchmesser eines Protons! Trotzdem sind sie für unser Leben unentbehrlich: Die Starke Kraft sorgt daür, dass Protonen und Neutronen im Atomkern zusammenhalten, und ohne die Schwache Kraft würde die Sonne nicht brennen.

• Ladung ist eine fundamentale Eigenschaft eines Teilchens. 
• Ladungen werden durch eine Stärke und eine Menge beschrieben. Die Stärke der elektrischen Ladung nennt man e , und ihre Menge Q.
• Ladungsmengen lassen sich mit Hilfe mathematischer Objekte beschreiben. Dies können Zahlen Q, Vektoren , oder noch kompliziertere Gebilde sein. Ein Elektron hat z.B. eine elektrische Ladungsmenge von Q=-1 (d.h. eine Ladung von Qe=-1,602*10^-19C), ein Heliumkern hat Q=+2.
• Es gibt eine kleinste Ladungsmenge, und alle in der Natur vorkommenden Ladungen bestehen aus Vielfachen dieser kleinsten Ladung. Man sagt, die Ladung ist quantisiert. Die kleinste elektrische Ladungsmenge ist Q=1/3. Das d-Quark besitzt die Ladung Qe=-1/3e.
• Ladungen sind additiv.  Das bedeutet für die elektrischen Ladungen zweier Teilchen a und b, dass Q(a + b) = Q(a) + Q(b) 
• Bei Wechselwirkungen gibt es einen "Ladungserhaltungssatz", d.h. die Summe aller Ladungen vor dem Wechselwirkungsprozess ist gleich der Summe aller Ladungen nach dem Wechselwirkungsprozess.

• Zwischen elektrisch geladenen Teilchen wirkt die Elektromagnetische Kraft. Ihre Austauschteilchen sind die Photonen. Die Ladungsmenge Q ist eine reelle Zahl. Die Elektrische Ladungsstärke e = 1,602 * 10^-19 C kann man in der Einheit Coulomb (C) messen, oder in Einheiten von fundamentalen Naturkonstanten (h,c, und epsilon0), dann hat sie den Wert 0,3.
• Zwischen allen Teilchen wirkt die Schwache Kraft . Die Austauschteilchen der schwachen Kraft sind die drei Vektorbosonen W+, W-, und Z. Ihr Name kommt daher, dass die Schwache Ladungsmenge mit Hilfe von Vektoren beschrieben wird. Man nennt diese Vektoren auch Isospin, und die Quantenmechanik lehrt, dass es genügt, ihren Betrag I, und die dritte Komponente I₃ anzugeben. Die Schwache Ladungsstärke heißt g und hat ungefähr den Wert 0,6.
• Zwischen den Quarks wirkt die Starke (Farb)kraft. Ihre Austauschteilchen heißen Gluonen (glue, engl. Leim, wörtlich "Leimteilchen"). Diese Kraft ist zwar nur auf kurze Distanz wirksam, dafür aber umso stärker. Sie ist für den Zusammenhalt der Protonen und Neutronen verantwortlich, die durch Quarks gebildet werden. Anstelle einer einzigen Ladung wie bei der elektromagnetischen Wechselwirkung, die positives und negatives Vorzeichen haben kann (z.B. Elektron und Positron), treten bei Quarks drei verschiedene Arten von Ladungsmengen mit jeweils zwei Vorzeichen auf, die symbolisch durch Farben (rot, grün, blau) beschrieben werden. Die Gegenladungen der Farben (rot, grün, blau) sind die Antifarben (antirot, antigrün, antiblau). Die Namen der Farben wurden so gewählt, dass - wie in der Farblehre - durch Addition entsprechender Farben eine nach außen neutrale ("weiße") Anordnung entsteht. Man darf sich also keine farbigen Gluonen vorstellen, da die Farben nur zur Veranschaulichung der verschiedenen Arten der Ladungsmenge dienen. Die Starke Ladungsstärke g_s hat einen typischen Wert von 1,2.

Elementarteilchen und ihre Ladungen

Art der Ladung	Menge	Struktur		e	u	d	Stärke	Wert
elektromagnetisch	Q	reelle Zahl	0	-1	2/3	-1/3	e	0,3
schwach	I, I3	Vektor, 3.Komponente	½, ½	½, -½	½, ½	½, -½	g	0,6
stark		Farbe (rot, grün, blau)	-	-	r/g/b	r/g/b	gs	1,2

Antiteilchen
Zu jedem Teilchen existiert ein Antiteilchen, bei dem alle Ladungsmengen zwar denselben Betrag wie beim Teilchen haben, jedoch ein umgekehrtes Vorzeichen. Das heißt zum Beispiel der Betrag I ändert sich nicht, aber die Vorzeichen von Q und I₃ drehen sich um. Die Gegenladungen der Farben rot, grün, blau sind die Antifarben antirot, antigrün, antiblau. Antiteilchen werden oft mit einem Querstrich über dem Buchstaben gekennzeichnet.