Elementarteilchen sind die kleinsten bekannten Teilchen, die nicht weiter in einfachere Substrukturen zerlegt werden können. Sie bilden zum einen die Grundbausteine des materiellen Universums und sind zum anderen für die Übertragung von Wechselwirkungen verantwortlich. Dementsprechend gibt es zwei Hauptkategorien von Elementarteilchen: Fermionen und Bosonen.
1. Fermionen:
Fermionen besitzen einen halbzahligen Spin und sind die kleinsten bekannten Bestandteile der Materie. Die zu den Elementarteilchen zählenden Fermionen sind die Quarks und die Leptonen.
Quarks:
Quarks sind die Bestandteile aller Hadronen, die dementsprechend nicht zu den Elementarteilchen zählen. Unter den Hadronen wird zwischen Baryonen (bestehend aus drei Quarks; halbzahliger Spin) und Mesonen (bestehend aus zwei Quarks; ganzzahliger Spin) unterschieden. Die bekanntesten Baryonen sind die Nukleonen: das Proton und das Neutron. Insgesamt sind drei Quark-Generationen, die jeweils zwei Quarks und deren Anti-Quarks umfassen, bekannt: Up- und Down-Quark (1. Generation), Strange- und Charm-Quark (2. Generation), Bottom- und Top-Quark (3. Generation). Alle Quarks besitzen eine nicht ganzzahlige elektrische Ladung sowie eine Farbladung. Bei der Bildung der Hadronen kombinieren sich Quarks immer so, dass die elektrische Ladung ganzzahlig und die Farbladung neutral („weiß“) ist. Insbesondere die Farbneutralität führt dazu, dass Quarks niemals isoliert existieren können. Dieses Phänomen wird auch als „Confinement“ bezeichnet. Die Farbneutralität wird erreicht, indem Mesonen stets aus einem Quark/Anti-Quark Paar und Baryonen aus drei Quarks oder drei Anti-Quarks aufgebaut sind. Quarks unterliegen der starken Wechselwirkung.
Leptonen:
Mit dem Elektron, dem Myon und dem Tauon sowie deren zugehörige Neutrinos zählen insgesamt sechs Leptonenarten zu den Elementarteilchen. Zu jedem Lepton gibt es zudem ein Antiteilchen (Positron, Anti-Myon und Anti-Tauon). Leptonen unterliegen der schwachen Wechselwirkung, der Gravitation sowie der elektromagnetischen Wechselwirkung, sofern es Träger einer positiven oder negativen Elementarladung ist.
2. Bosonen:
Bosonen sind Austauschteilchen, die die Kräfte zwischen Fermionen vermitteln und besitzen einen ganzzahligen Spin. Es wird zwischen den Eichbosonen/Vektorbosonen (Photon, W-Bosonen, Z-Boson, Gluonen; Spin von 1) und den Skalarbosonen (Higgs-Boson mit einem Spin von 0) unterschieden. Das Higgs-Boson, das 2012 am CERN entdeckt wurde, verleiht anderen Elementarteilchen ihre Masse. Gluonen sind die Überträger der starken Wechselwirkung zwischen den Quarks, Photonen sind Bosonen, die die elektromagnetische Wechselwirkung übertragen und W- sowie Z-Bosonen sind für die schwache Wechselwirkung verantwortlich, die bspw. den β-Zerfall ermöglicht.
Die Erforschung der Eigenschaften und Wechselwirkungen von Elementarteilchen ist von entscheidender Bedeutung für das Verständnis der fundamentalen Gesetze des Universums. Hochenergetische Experimente, wie sie am Large Hadron Collider (LHC) durchgeführt werden, haben dazu beigetragen, unser Wissen über Elementarteilchen und ihre Rolle im Universum erheblich zu erweitern.