Standardmodell

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik (SM) ist eine physikalische Theorie, welche die bekannten Elementarteilchen und die Wechselwirkungen zwischen ihnen beschreibt. Die drei vom Standardmodell beschriebenen Wechselwirkungen sind

• die starke Wechselwirkung,
• die schwache Wechselwirkung und
• die elektromagnetische Wechselwirkung.

Das SM ist eine Quantenfeldtheorie: ihre fundamentalen Objekte sind Felder in der Raumzeit (Feldtheorie), die nur in diskreten Paketen verändert werden (Quantentheorie). In einer passenden Darstellung entsprechen die diskreten Pakete gerade den beobachteten Teilchen. Das SM ist insbesondere relativistisch, d.h., es gehorcht den Gesetzen der speziellen Relativitätstheorie.

Die Voraussagen des SM sind durch teilchenphysikalische Experimente recht gut bestätigt. Allerdings bezieht das SM die Gravitation nicht mit ein und kann einige Beobachtungen nicht erklären. Außerdem müssen immerhin 18 Parameter, deren Werte nicht aus der Theorie hervorgehen, anhand von experimentellen Ergebnissen festgelegt werden. Es wird dadurch recht „biegsam“, so dass es sich in einem gewissen Rahmen den tatsächlich gemachten Beobachtungen anpassen kann. Obwohl das Standardmodell die Grundlage der modernen Teilchenphysik darstellt, reicht es zur Erklärung der Welt nicht aus. Es gibt deshalb zahlreiche Bemühungen, es zu erweitern oder abzulösen (s. u. "Physik jenseits des Standardmodells").

Wechselwirkungen

Hauptartikel: Elektroschwache Wechselwirkung, starke Wechselwirkung

Im Standardmodell wird die Wechselwirkung der Materiefelder durch abstrakte (mathematische) Eichsymmetrien beschrieben, wodurch das Standardmodell auch eine Eichtheorie ist. Die Eichgruppen des SM sind U(1)_Y, SU(2)_L und SU(3)_c. Die jeweiligen Ladungen dieser Symmetrien sind die (schwache) Hyperladung, der (schwache) Isospin und die Farbladung. Die drei üblicherweise als Wechselwirkungen des SM aufgezählten Wechselwirkungen (die elektromagnetische Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung und die starke Wechselwirkung) ergeben sich aus diesen Eichgruppen:

• Der Higgs-Mechanismus führt zur elektroschwachen Symmetriebrechung. Dabei entstehen durch die Gruppen U(1)_Y und SU(2)_L in der Teilchendarstellung drei effektive Austauschteilchen: Das Photon, das Z-Boson und das W-Boson. Das masselose Photon ist das Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung, das Z- und das W-Boson sind die massiven Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung.
• Die lokale Eichgruppe SU(3)_c erzwingt die Existenz der Gluon-Felder, welche die Farbwechselwirkung zwischen den Quarks und untereinander vermitteln. Die Farbwechselwirkung ermöglicht den Austausch gebundener Quark-Antiquark-Zustände (Pionen) zwischen den Bausteinen eines Atomkerns (Nukleonen). Je nach Nomenklatur wird der Begriff starke Wechselwirkung folgendermaßen verwendet: Entweder man versteht darunter die durch Pionaustausch entstehende effektive Wechselwirkung zwischen den Nukleonen, oder die Farbwechselwirkung selbst wird direkt als starke Wechselwirkung bezeichnet.

Elementarteilchen

Elementarteilchen des Standardmodells ohne das Higgs-Boson

Fermionen: Materie-Teilchen

Die Fermionen des Standardmodells und nichtelementare Teilchen, die aus ihnen aufgebaut sind, sind per Konvention die Teilchen, die als „Materie“ bezeichnet werden. Fermionen, die der Farbwechselwirkung unterliegen, werden „Quarks“ genannt; Fermionen, die dies nicht tun, sind „Leptonen“ (leichte Teilchen). Sowohl Leptonen als auch Quarks werden aus praktischen Gründen in drei Generationen mit je einem Paar Teilchen unterteilt. Die Teilchen eines Paares unterscheiden sich in ihrem Verhalten bezüglich der SU(2)_L-Eichgruppe und damit in ihrer elektroschwachen Wechselwirkung – besonders nennenswert ist dabei ihre unterschiedliche elektrische Ladung. Äquivalente Teilchen verschiedener Generationen haben nahezu identische Eigenschaften, der nennenswerteste Unterschied ist die mit der Nummer der Generation zunehmende Masse.

Vektorbosonen: Wechselwirkungs-Teilchen

Die bosonischen Elementarteilchen des Standardmodells unterscheiden sich in ihrem Spin, wobei die Vektorbosonen (Photon, W, Z, Gluon) den Spin 1 und das Higgs-Boson den Spin 0 besitzen. Die Existenz der Vektorbosonen ist mathematisch eine notwendige Folge der Eichsymmetrien des Standardmodells. Sie vermitteln die Wechselwirkungen zwischen Teilchen, können aber prinzipiell auch als eigenständige Teilchen auftreten (insbesondere das Photon, das als Elementarteilchen eine „Quantengröße“ elektromagnetischer Wellen darstellt).

Die Gluonen sind Eichbosonen und repräsentieren direkt die Freiheitsgrade der Eichgruppe SU(3) der starken Kraft. Die W- und Z-Bosonen und die Photonen hingegen repräsentieren nicht direkt die Freiheitsgrade der übrigen Eichgruppe $SU(2)_L \times U(1)$, werden aber gelegentlich trotzdem als Eichbosonen bezeichnet. Die Vektorbosonen des Standardmodells werden auch „Botenteilchen“ oder „Austauschteilchen“ genannt.

Higgs-Boson

Das Higgs-Boson ist keine direkte Folge einer Eichsymmetrie, vermittelt daher keine Wechselwirkung im Sinne des Standardmodells und wird daher auch nicht als Austauschteilchen angesehen. Das Higgs-Boson wird jedoch benötigt um die elektroschwache SU(2)xU(1)-Symmetrie zu brechen und so sowohl dem Z- als auch den W-Bosonen Masse zu verleihen. Es ist das einzige Elementarteilchen des Standardmodells, das bisher nicht in Experimenten nachgewiesen werden konnte, allerdings erhofft man sich mit dem LHC (Large Hadron Collider) am CERN auch den experimentellen Nachweis dieses bisher nur postulierten Teilchens.

Physik jenseits des Standardmodells

Das Standardmodell der Teilchenphysik kann nahezu alle bisher beobachteten teilchenphysikalischen Beobachtungen erklären. Allerdings ist es unvollständig, da es die gravitative Wechselwirkung gar nicht beschreibt. Außerdem gibt es auch innerhalb der Teilchenphysik einige offene Fragen, die das Standardmodell nicht lösen kann, wie z. B. das Hierarchieproblem und die Vereinigung der drei Grundkräfte. Auch die inzwischen bestätigte von Null verschiedene Ruhemasse der Neutrinos führt über die Theorie des Standardmodells hinaus.

Es existiert eine Vielzahl alternativer Modelle, aufgrund derer das etablierte Standardmodell lediglich um weitere Ansätze erweitert wird, um einige Probleme besser beschreiben zu können, ohne sein Fundament als solches zu verändern. Die bekanntesten Ansätze für neue Modelle sind Versuche zur Vereinigung der drei im Standardmodell vorkommenden Wechselwirkungen in einer Großen vereinheitlichten Theorie (GUT). Solche Modelle beinhalten häufig auch Supersymmetrie, eine Symmetrie zwischen Bosonen und Fermionen. Diese Theorien postulieren zu jedem Teilchen des Standardmodells Partnerteilchen mit vom Originalteilchen unterschiedlichen Spin, von denen bisher jedoch noch keines nachgewiesen werden konnte. Ein anderer Ansatz zur Erweiterung des Standardmodells ergibt Theorien der Quantengravitation. Solche Ansätze beinhalten beispielsweise die Stringtheorien, die auch GUT-Modelle enthalten, sowie die Schleifenquantengravitation.

Zusammenfassend gibt es noch folgende offene Fragen im Standardmodell:

• Existiert das Higgs-Boson wirklich und hat es die vorhergesagten Eigenschaften?
• Warum haben die fundamentalen Wechselwirkungen so unterschiedliche Kopplungsstärken und was ist mit der Gravitation?
• Die CP-Verletzung allein kann die beobachtete Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum nicht erklären.
• Warum gibt es gerade drei Generationen (mit je zwei Flavours) von fundamentalen Fermionen?
• Das Standardmodell beinhaltet mindestens 18 freie Parameter, die man bisher durch Messung bestimmen muss. Lassen diese sich aus einer allgemeineren Theorie vorhersagen?

Literatur

• John F. Donoghue: Dynamics of the Standard Model. Neue Auflage. Cambridge University Press, 1994, ISBN 978-0521476522.