Lepton: die Elementarteilchen ohne starke Wechselwirkung

Was ist ein Lepton?

Ein Lepton ist ein elementares Fermion – ein Materieteilchen mit halbzahligem Spin (½), das nach heutigem Kenntnisstand keine innere Struktur besitzt und in allen Experimenten als punktförmig erscheint. Der entscheidende Unterschied zu den Quarks: Leptonen spüren die starke Wechselwirkung nicht. Sie unterliegen ausschließlich der schwachen Wechselwirkung, der Gravitation und – sofern sie elektrisch geladen sind – der elektromagnetischen Kraft.

Diese Eigenschaft hat eine anschauliche Folge. Weil Quarks der starken Kraft unterliegen, kommen sie in der Natur nie einzeln vor, sondern immer in gebundenen Zuständen wie Protonen oder Neutronen (Confinement). Leptonen dagegen können frei existieren: Ein einzelnes Elektron oder ein einzelnes Neutrino ist ein völlig normales Objekt, das sich isoliert durch den Raum bewegt.

Der Name geht auf das griechische leptós zurück – „klein“, „dünn“, „fein“ – und wurde Ende der 1940er-Jahre geprägt, als alle damals bekannten Leptonen tatsächlich sehr leicht waren. Die Bezeichnung ist damit rein historisch: Das 1975 nachgewiesene Tau ist mit rund 1,78 GeV/c² deutlich schwerer als ein Proton, heißt aber weiterhin Lepton. Zusammen mit den Quarks bilden Leptonen die beiden Fermion-Familien, aus denen die bekannte Materie aufgebaut ist; die Kräfte zwischen ihnen werden durch Bosonen vermittelt.

Die sechs Leptonen in drei Generationen

Das Standardmodell ordnet die sechs Leptonen in drei „Generationen“ oder Familien. Jede Generation enthält ein elektrisch geladenes Lepton und ein zugehöriges, neutrales Neutrino: Erste Generation – Elektron (e⁻) und Elektron-Neutrino (νₑ). Zweite Generation – Myon (μ⁻) und Myon-Neutrino (ν_μ). Dritte Generation – Tau (τ⁻) und Tau-Neutrino (ν_τ).

Die drei geladenen Leptonen tragen jeweils genau eine negative Elementarladung und unterscheiden sich im Wesentlichen nur durch ihre Masse. Das Elektron ist mit rund 0,511 MeV/c² das leichteste und das einzige stabile von ihnen. Das Myon ist mit etwa 105,7 MeV/c² rund 207-mal schwerer und zerfällt nach einer mittleren Lebensdauer von etwa 2,2 Mikrosekunden. Das Tau ist mit rund 1776,9 MeV/c² das schwerste und mit etwa 2,9 · 10⁻¹³ Sekunden das kurzlebigste geladene Lepton.

Zu jedem Lepton existiert ein Antiteilchen mit entgegengesetzter elektrischer Ladung und entgegengesetzter Leptonenzahl. Das bekannteste ist das Positron, das Antiteilchen des Elektrons, das Carl D. Anderson 1932 in der kosmischen Strahlung nachwies – der erste experimentelle Beleg für Antimaterie überhaupt. Rechnet man die Antiteilchen mit, ergeben sich zwölf leptonische Zustände.

Geladene Leptonen: Elektron, Myon und Tau

Die drei geladenen Leptonen verhalten sich physikalisch bemerkenswert ähnlich. Nach dem Standardmodell koppeln die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung an alle drei exakt gleich stark; man spricht von „Lepton-Universalität“. Präzisionsmessungen bestätigen dieses Prinzip bislang im Rahmen der Messgenauigkeit – es gilt zugleich als eine der empfindlichsten Prüfgrößen für mögliche neue Physik.

Das Elektron identifizierte J. J. Thomson 1897 bei seinen Experimenten mit Kathodenstrahlen als eigenständiges, sehr leichtes Teilchen. Das Myon entdeckten Carl D. Anderson und Seth Neddermeyer 1936/37 in der kosmischen Strahlung; es entsteht laufend, wenn kosmische Strahlung auf die obere Erdatmosphäre trifft, und erreicht in großer Zahl die Erdoberfläche. Zunächst hielt man es für das von Hideki Yukawa vorhergesagte Kernkraftteilchen. Erst 1947 zeigte sich, dass diese Rolle dem Pion zukommt und das Myon schlicht ein schweres Elektron ist – der Physiker Isidor I. Rabi soll dazu trocken gefragt haben, wer dieses Teilchen eigentlich bestellt habe.

Das dritte geladene Lepton fand Martin Perl mit seinem Team zwischen 1974 und 1977 am Beschleunigerzentrum SLAC in Kalifornien. Für die Entdeckung des Taus erhielt er 1995 den Nobelpreis für Physik. Das Tau ist schwer genug, um auch in Hadronen zu zerfallen – eine Besonderheit unter den Leptonen. Warum die Natur das Elektron gleich zweimal in schwererer Ausführung wiederholt, ist bis heute ungeklärt und gehört zu den offenen Grundfragen der Teilchenphysik.

Neutrinos: die neutralen Leptonen

Jedem geladenen Lepton ist ein Neutrino zugeordnet. Neutrinos sind elektrisch neutral, extrem leicht und wechselwirken ausschließlich über die schwache Kernkraft und die Gravitation. Deshalb durchdringen sie Materie nahezu ungehindert: Allein von der Sonne treffen in jeder Sekunde grob 60 bis 100 Milliarden Neutrinos auf jeden Quadratzentimeter der Erdoberfläche – und damit auch auf jeden Quadratzentimeter Ihres Körpers –, ohne dort in aller Regel irgendeine Spur zu hinterlassen.

Die Geschichte beginnt 1930, als Wolfgang Pauli ein neutrales, sehr leichtes Teilchen postulierte, um die Energie- und Drehimpulsbilanz des Betazerfalls zu retten; Enrico Fermi gab dem Neutrino später seinen Namen und formulierte 1934 die erste Theorie des Betazerfalls. Der experimentelle Nachweis gelang erst 1956 Clyde Cowan und Frederick Reines an einem Kernreaktor. Das Myon-Neutrino wiesen Leon Lederman, Melvin Schwartz und Jack Steinberger 1962 als eigenständige Teilchenart nach (Nobelpreis 1988), das Tau-Neutrino bestätigte die DONUT-Kollaboration am Fermilab im Jahr 2000.

Lange galten Neutrinos als exakt masselos. Die Entdeckung der Neutrino-Oszillation – der Umwandlung eines Neutrino-Typs in einen anderen auf dem Flug – bewies jedoch, dass mindestens zwei der drei Neutrino-Massenzustände eine von null verschiedene Masse besitzen. Takaaki Kajita und Arthur B. McDonald erhielten dafür 2015 den Nobelpreis für Physik. Wie groß diese Masse genau ist, weiß niemand; Laborexperimente und kosmologische Daten grenzen sie auf weniger als ein Millionstel der Elektronenmasse ein. Welche Verfahren Neutrinos überhaupt sichtbar machen, beschreibt die Seite wie Neutrinos nachgewiesen werden.

Leptonenzahl und Erhaltungssätze

Ein zentrales Ordnungsprinzip der Teilchenphysik ist die Leptonenzahl. Jedem Lepton wird die Leptonenzahl +1 zugeordnet, jedem Antilepton −1 und allen übrigen Teilchen 0. In sämtlichen bisher beobachteten Reaktionen bleibt die Summe dieser Zahlen erhalten. Zerfällt etwa ein freies Neutron im radioaktiven Zerfall in ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino, so heben sich die Leptonenzahlen von Elektron (+1) und Antineutrino (−1) exakt auf – vor dem Zerfall war die Bilanz null, nach dem Zerfall ebenfalls.

Im ursprünglichen Standardmodell galt darüber hinaus eine strengere Regel: die getrennte Erhaltung der einzelnen Familienzahlen für Elektron, Myon und Tau. Die Neutrino-Oszillation zeigt jedoch, dass genau diese Familienzahlen verletzt werden – ein Myon-Neutrino kann sich unterwegs in ein Tau-Neutrino verwandeln. Die gesamte Leptonenzahl bleibt in allen bekannten Prozessen dennoch erhalten.

Ob sie absolut gilt, ist offen. Der bislang nicht beobachtete neutrinolose doppelte Betazerfall würde die Leptonenzahl um zwei Einheiten verletzen und wäre nur möglich, wenn Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind – sogenannte Majorana-Teilchen. Mehrere Experimente weltweit suchen mit hohem Aufwand nach diesem Signal; bisher liegen ausschließlich untere Grenzen für die Halbwertszeit vor, kein Nachweis.

Leptonen im Standardmodell

Innerhalb des Standardmodells gehören die Leptonen zusammen mit den Quarks zu den Fermionen, den materiebildenden Teilchen. Ihre Wechselwirkungen laufen über den Austausch von Eichbosonen: das Photon für die elektromagnetische Kraft sowie die 1983 am CERN nachgewiesenen W- und Z-Bosonen für die schwache Kraft. Weil Bosonen ganzzahligen Spin tragen, gehorchen sie der Bose-Einstein-Statistik und können denselben Quantenzustand beliebig oft besetzen – Fermionen wie die Leptonen dürfen das wegen des Pauli-Prinzips gerade nicht.

Ihre Masse erhalten die geladenen Leptonen durch die Kopplung an das Higgs-Feld. Das zugehörige Higgs-Boson wurde am 4. Juli 2012 von den Kollaborationen ATLAS und CMS am Large Hadron Collider des CERN bei einer Masse von rund 125 GeV/c² bekannt gegeben; François Englert und Peter Higgs erhielten dafür 2013 den Nobelpreis für Physik. Wichtig für die richtige Einordnung: Der Higgs-Mechanismus erklärt die Massen der Elementarteilchen und der W- und Z-Bosonen, nicht aber den Großteil der Masse gewöhnlicher Materie. Diese steckt zum weitaus größten Teil in der Bindungsenergie der starken Wechselwirkung innerhalb von Protonen und Neutronen – ein Beitrag, der die Leptonen mangels starker Wechselwirkung gar nicht betrifft.

Eine besonders elegante Bestätigung lieferten die LEP-Experimente am CERN ab 1989: Aus der Zerfallsbreite des Z-Bosons ließ sich die Zahl der leichten Neutrino-Arten bestimmen, die an das Z koppeln. Das Ergebnis lag bei 2,984 ± 0,008 – also bei exakt drei. Eine vierte Generation mit einem leichten, koppelnden Neutrino ist damit ausgeschlossen. Die formale Einordnung der Leptonen in das Gefüge der Teilchenfamilien fasst die Referenzseite zu subatomaren Teilchen zusammen.

Offene Fragen und praktische Anwendungen

Trotz des eleganten theoretischen Rahmens hinterlassen die Leptonen große Rätsel. Warum gibt es genau drei Generationen? Warum liegen die Massen so extrem weit auseinander – vom fast masselosen Neutrino bis zum Tau, das schwerer ist als ein Proton? Und warum erklärt der Standard-Higgs-Mechanismus zwar die Massen der geladenen Leptonen, nicht aber die winzigen Neutrinomassen? Für Letztere braucht es Erweiterungen des Standardmodells, die bislang nicht experimentell bestätigt sind.

Ein vieldiskutierter Prüfstein ist das anomale magnetische Moment des Myons, das sogenannte g-2-Rätsel. Präzisionsmessungen am Fermilab haben diesen Wert außerordentlich genau bestimmt. Parallel wurde die theoretische Vorhersage überarbeitet, insbesondere der schwer zu berechnende hadronische Beitrag; die früher diskutierte Abweichung zwischen Messung und Theorie hat sich dadurch deutlich verringert. Die abschließende Bewertung ist Gegenstand laufender Arbeiten – ein gutes Beispiel dafür, dass in der Präzisionsphysik Messung und Rechnung gemeinsam auf den Prüfstand gehören.

Leptonen sind dabei längst nicht nur Grundlagenforschung. Elektronen treiben jede Elektronik und jedes Elektronenmikroskop an. Positronen bilden die physikalische Grundlage der PET-Bildgebung in der Medizin. Myonen ermöglichen die Myon-Tomografie, mit der Forschende Vulkane, Reaktorruinen und – im Rahmen des ScanPyramids-Projekts – das Innere der Cheops-Pyramide durchleuchtet haben, wo 2017 ein zuvor unbekannter Hohlraum entdeckt wurde. Neutrinos wiederum öffnen ein eigenes Fenster zur Astronomie, etwa auf Supernovae, auf das Innere der Sonne und auf die Wärmequellen im Erdinneren.

Leptonen in der aktuellen Neutrinoforschung

Dass Neutrinos eine – wenn auch winzige – Ruhemasse besitzen, gilt seit dem Physik-Nobelpreis 2015 als gesichert und hat über die Astronomie hinaus auch materialwissenschaftliche Fragestellungen angestoßen. Die Neutrino Energy Group, ein Forschungsunternehmen mit Sitz in Berlin um Holger Thorsten Schubart, untersucht mit ihrem Forschungsansatz Neutrinovoltaic, ob sich Anteile der allgegenwärtigen Umgebungsstrahlung und der thermischen Gitterbewegung in Mehrschichtstrukturen aus Graphen und dotiertem Silizium in eine messbare elektrische Spannung übersetzen lassen. Zur Einordnung gehört dabei ausdrücklich: Es handelt sich um Grundlagen- und Materialforschung im Entwicklungsstadium innerhalb der bekannten Erhaltungssätze der Physik, nicht um ein abgeschlossenes, unabhängig reproduziertes Ergebnis und nicht um ein marktreifes Produkt. Aus der Existenz einer Neutrinomasse folgt nicht automatisch, dass sich daraus technisch nutzbare Leistung gewinnen lässt – genau das ist die offene Forschungsfrage.