Die Eigenschaften der Elementarteilchen zeigen regelhafte Muster, insbesondere bei ihren elektrischen Ladungen. Wie lassen sich diese Regelhaftigkeiten erklären?
Das Standardmodell der Elementarteilchen kennt 48 Fermionen, die sich auf drei Generationen von Leptonen und Quarks aufteilen. In jeder Generation gibt es jeweils zwei Leptonen und zwei Quarks, wobei jedes Quark zudem in jeweils drei Farbvarianten vorkommt. Außerdem gibt es zu jedem Teilchen ein Antiteilchen, dessen Ladungswerte das umgekehrte Vorzeichen tragen.
Die Elementarteilchen werden durch ihre Ruhemasse, ihren Spin sowie durch einige Quantenzahlen charakterisiert, mit denen die Ladungswerte für die elektrische, schwache und starke Wechselwirkung beschrieben werden. Die 48 Fermionen tragen alle den Spin 1/2. Ihre Quantenzahlen für die Ladungswerte unterscheiden sich hingegen, allerdings zeigen sich hier regelhafte Muster. Besonders deutlich sind diese Regelhaftigkeiten bei der elektrischen Ladung zu erkennen:
- Alle bekannten Elementarteilchen tragen eine elektrische Ladung, die der Ladung des Elektrons bis auf einen Faktor 0, ±⅓, ±⅔ oder ±1 entspricht.
- Zu jedem Teilchen gibt es ein Antiteilchen, dessen elektrische Ladung jeweils das umgekehrte Vorzeichen trägt, während die Ruhemassen identisch sind.
- Die drei Teilchengenerationen sind hinsichtlich ihrer Ladungswerte identisch, nur die Ruhemassen unterscheiden sich und steigen von Generation zu Generation.
- Quarks und Leptonen kommen jeweils in zwei Linien vor, wobei sich die elektrische Ladung von zwei Schwesterteilchen jeweils um eine ganze Elementarladung e unterscheidet (Elektron: -e / Neutrino: 0; down-Quark: -⅓e / up-Quark: +⅔e).
- Nur Teilchen und Antiteilchen, die keine ganzzahlige elektrische Ladung tragen, unterliegen der starken Wechselwirkung.
Diese Regelhaftigkeiten sind umso bemerkenswerter, als eine andere charakteristische Eigenschaft der Elementarteilchen, ihre Ruhemasse, keine Bruchteile oder Vielfache eines bestimmten Grundwerts bildet. Dass die Werte der elektrischen Ladungen aller bekannten Elementarteilchen im Verhältnis kleiner ganzer Zahlen zueinander stehen, legt die Vermutung nahe, dass sie kein reines Produkt des Zufalls sind, sondern dass in allen Elementarteilchen der gleiche Mechanismus wirksam ist, der die elektrische Ladung generiert und den Ladungswert des jeweiligen Elementarteilchens bestimmt. Gemäß der Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung setzt sich die elektrische Ladung additiv aus den Ladungswerten der schwachen Wechselwirkung zusammen, die als schwache Hyperladung und schwacher Isospin bezeichnet werden. Zudem deutet der Umstand, dass die starke Wechselwirkung nur solche Teilchen und Antiteilchen betrifft, die keine ganzzahlige elektrische Ladung tragen, auf einen bisher unerkannten Zusammenhang zwischen elektromagnetischer und starker Wechselwirkung hin.
Daraus ergibt sich die Frage, ob sich ein Modell finden lässt, dass die elektrischen Ladungen und die weiteren Quantenzahlen der Elementarteilchen aus einem inneren Zusammenhang heraus erklären kann?
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