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Einleitung

Das Standardmodell ist ein Modell (oder eine Theorie) das als Basis unseres modernen Verständnis der Teilchenphysik dient und dabei die bekannten Elementarteilchen und Kräfte behandelt. Sie ist sowohl zur Quantenmechanik als auch zur speziellen Relativitätstheorie konsistent und arbeitet primär mit Bosonen und Fermionen. Zu einer einheitlichen Theorie fehlt ihr allerdings eine stimmige Theorie der Gravitation und eine vereinheitlichte Theorie der starken und elektroschwachen Wechselwirkung.

Geschichte und Entwicklung

Das Standardmodell wurde in 60er und 70er Jahren entwickelt um eine akkurate Beschreibung der Elementarteilchen zu erreichen. Das Modell wurde in seiner Ursprungsversion von den drei Physikern Steven Weinberg (USA) und Abdus Salam (Pakistan) aufbauend auf frühere Arbeiten von Sheldon Glasgow (USA) entwickelt. Trotz des Umstandes, dass ihr Modell weder widerspruchsfrei noch komplett war, erhielten sie 1979 den Nobelpreis der Physik. Ihr Modell sagte drei Generationen von Partikeln sowie dem Charmquark voraus, wobei zur Zeit des ersten Standardmodells erst die ersten beiden Generationen von Teilchen bekannt waren. Die ausstehenden Teilchen wurden in den darauf folgenden Jahren aber experimentell nachgewiesen. Auch von Änderungen blieb das Standardmodell nicht verschont, in dem Versuch, eine umfassendere Theorie zu formulieren. So konnten auch die später vorausgesagten W- und Z-Bosonen experimentell bestätigt werden. Trotz allem ist dieses Modell noch heute nicht vollständig und noch immer versuchen Wissenschaftler einige schwer zu fassende Teilchen nachzuweisen, so zum Beispiel die vorausgesagten Higgs-Teilchen.

Fermionen

Fermionen sind eine Familie von Elementarteilchen mit einer sog. halbzahligen Spinquantenzahl (ähnlich dem Eigendrehimpuls), die dem Pauli’schen Ausschließungsprinzip gehorchen. Zu dieser Familie gehören unter anderem Elektronen, Neutronen und Protonen. Sie ist in drei Untergruppierungen eingeteilt, wobei jede eine Kombination aus sog. Quarks und Leptonen enthält. Die erste Untergruppe hat einen wesentlichen Anteil im Aufbau normaler Materie und umfasst das up- und down Quark, das Elektron und das Elektronneutrino. Die beiden letztgenannten Elementarteilchen gehören dabei zu den Leptonen und unterliegen daher nicht der starken Wechselwirkung. Durch die Quarks der ersten Gruppe (up und down) werden wiederum das Proton und Neutron gebildet. Dabei besteht ein Proton aus zwei up-Quarks und einem down-Quark und ein Neutron aus zwei down-Quarks und einem up-Quark. Die beiden anderen Untergruppen von Fermionen bestehen nicht aus normaler Materie, aber entstehen in Teilchenbeschleunigern. So enthält die zweite Untergruppe das charm-Quark, strange-Quark, Myon, Myonneutrino und ihre Antiteilchen. Die dritte Untergruppe enthält das top-Quark, bottom-Quark, Tau und das Tauneutrino sowie jeweils die Antiteilchen.

Bosonen

Auf der anderen Seite gibt es die Bosonen, die im Gegensatz zu den Fermionen einen ganzzahligen Spin aufweisen und nicht dem Pauli’schen Ausschließungsprinzip gehorchen. Diese Familie enthält acht Typen von Gluonen, das Photon, das W und Z Boson und das Higgs Boson. Gluonen sind für die starke Kernkraft verantwortlich. Dagegen sind die W und Z Bosonen an der schwachen und das Photon an der elektromagnetischen Wechselwirkung beteiligt. Das von dem Standardmodell geforderte Higgs-Teilchen hat einen Spin von Null und eine sehr große Masse. Es könnte entscheidend für die Verknüpfung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung sein. Es konnte allerdings noch nicht experimentell nachgewiesen werden. Das wohl kontroverseste Elementarteilchen ist das Graviton als Träger der Gravitationswechselwirkung welches nur sehr schwer nachzuweisen ist.

Fehler und Vorzüge

Das größte Problem dieser Theorie ist, dass Sie die Gravitation nicht erklärt

Wie die meisten physikalischen Theorien war auch das Standardmodell nicht frei von Änderungen und Nachbesserungen. Eine der wichtigsten Lücken ist das Fehlen einer Erklärung der Gravitation (das Graviton ist bis heute nicht experimentell bestätigt), einer einheitlichen Theorie der starken und elektroschwachen Wechselwirkung als auch die Nutzung von 19 willkürlich gewählten Parametern in den Berechnungen, die sich nicht herleiten lassen. Das Standardmodell ist daher unvollständig und ihre Widersprüche und Lücken ließen sich erst in einer über dem Standardmodell stehenden einheitlichen Theorie wie der Großen Unifizierten Theorie oder letztlich in der Theorie von allem (String-Theorie?) auflösen.

Quellen und Links