Standardmodell

Standardmodell, Name eines Modells der Teilchenphysik, welches die Vorstellungen und Theorien über die Struktur der Materie sowie die Eigenschaften der fundamentalen Wechselwirkungen enthält – ausgenommen ist eine „Theorie” der Gravitation.

Das Standardmodell umschließt zum einen die elektromagnetische Wechselwirkung, die für den Aufbau der Atome und die Struktur fester Körper, Flüssigkeiten und Gase verantwortlich ist, zum andern die starke Wechselwirkung, die zur Bildung von Atomkernen aus Neutronen und Protonen führt und schließlich die schwache Wechselwirkung, die sich vor allem in der Instabilität von Elementarteilchen (z. B. des Neutrons) und den damit verbundenen Erscheinungen der Radioaktivität äußert. Trotz ihrer physikalischen Verschiedenartigkeit liegt diesen Wechselwirkungen ein einheitliches Symmetrieprinzip zugrunde, und diese Grundkräfte können im gemeinsamen Rahmen der Eichtheorien (siehe Eichfeldtheorie) verstanden werden. Die elementaren Bausteine der Materie sind die Leptonen, zu denen das Elektron gehört, und die Quarks, aus denen z. B. Protonen und Neutronen aufgebaut sind. Die Wechselwirkungen zwischen diesen Bausteinen werden durch Austausch von Teilchen, den „Eichbosonen” erzeugt (siehe Bosonen). So vermittelt das Photon die elektromagnetische Wechselwirkung, die Gluonen die starke und die W- und Z-Teilchen die schwache Wechselwirkung. Im Standardmodell sind die elektromagnetische Wechselwirkung und die schwache Wechselwirkung zu einer einheitlichen, der elektroschwachen Wechselwirkung vereinigt. Die beiden Wechselwirkungen entspringen also einer gemeinsamen Grundkraft. Die großen Unterschiede in den mit den beiden Wechselwirkungen verknüpften Erscheinungen sind hauptsächlich durch die Massenunterschiede der Eichbosonen bedingt, nämlich des masselosen Photons einerseits und der massiven W- und Z-Teilchen andererseits. In Prozessen bei hinreichend hohen Energien verlieren diese Massenunterschiede an Bedeutung, und die Vereinheitlichung der elektromagnetischen und der schwachen Wechselwirkung kann experimentell nachgewiesen werden.

Das Standardmodell ist in einer Vielzahl von Experimenten mit großem Erfolg überprüft worden. Zu den spektakulärsten Erfolgen des Standardmodells gehört die durch das Experiment bestätigte Vorhersage der Existenz und des Wertes der Massen der W- und Z-Teilchen. Die Entdeckung des theoretisch vorhergesagten „top”-Quarks stellt eine weitere bedeutende Bestätigung dar. Das Standardmodell ist in Übereinstimmung mit allen bekannten experimentellen Daten. Der Nachweis des vom Standardmodell geforderten „Higgs”-Teilchens steht allerdings noch aus; die Existenz dieses in vieler Beziehung außergewöhnlichen Teilchens ist eng verknüpft mit der Vereinigung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung. Der am CERN (Genf) geplante Beschleuniger (LHC: Large Hadron Collider, sinngemäß großer Hadronenbeschleuniger) wird u. a. die Möglichkeit zur Überprüfung dieser wichtigen Vorhersage bieten. Trotz der beeindruckenden Erfolge ist das Standardmodell nicht in jeder Beziehung zufrieden stellend. Insbesondere schließt es die Gravitation nicht mit ein, es beinhaltet nicht eine vereinheitlichte Theorie der starken und elektroschwachen Wechselwirkung und enthält eine große Zahl physikalischer Parameter, wie z. B. die Massen der (geladenen) Leptonen und Quarks, die nur in einer übergreifenden, das Standardmodell umfassenden Theorie berechenbar wären. Die Suche nach Hinweisen auf eine derartige umfassendere Theorie wird mit großem experimentellem Aufwand betrieben. In Untersuchungen von Reaktionen zwischen Elementarteilchen bei höchsten Energien und Studien der Eigenschaften der Elementarteilchen mit größter Präzision wird über Abweichungen vom Standardmodell nach solchen Hinweisen auf eine mögliche neue Ebene physikalischer Realität gesucht.