Standardmodell der Teilchenphysik

Inhaltsverzeichnis

1 EINFÜHRUNG

2 DIE TEILCHEN
2.1 FERMIONEN
2.1.1 Leptonen
2.1.2 Quarks
2.2 BOSONEN UND IHRE WECHSELWIRKUNGEN
2.2.1 Gluonen – starke Wechselwirkung
2.2.2 Photonen – elektromagnetische Wechselwirkung
2.2.3 W- und Z-Bosonen – schwache Wechselwirkung
2.2.4 Das Higgs-Boson

3 ERWEITERUNGEN UND PROBLEME

4 FAZIT

5 LITERATURVERZEICHNIS

1 Einführung

Das Standardmodell der Teilchenphysik gibt wohl die aktuellste Antwort auf eine Frage, die die Menschheit seit Anbeginn der Zeit beschäftigt: „Woraus ist alles gemacht?“ Seit jeher gab es verschiedenste Auffassungen von Philosophie, Religion und Wissenschaft darüber was als Elementarteilchen anzusehen ist. Von den vier Elementen (Wasser, Erde, Feuer, Luft) bei den Alten Griechen bis zu Daltons experimentellen Beweis der Atome 1803.

Das schon von Demokrit postulierte Atom wurde schließlich bis 1932 „gefüllt“: Elektronen, Protonen und Neutronen sind die Bestandteile, die Bohr in gleichnamigen Modell 1913 zusammensetzte (vgl. Tipler, 2000, S. 1425). Mit dem Bau von gigantischen Teilchenbeschleunigern begann schließlich die Jagd auf neue Urbausteine – mit Erfolg. In den Beschleunigern durchlaufen in entgegengesetzten Richtungen Milliarden von Teilchen die kreisförmigen Röhren. Angetrieben von Magnetfeldern erreichen sie nach Stunden Geschwindigkeiten von über 99,9% der Lichtgeschwindigkeit und kollidieren. „Umgeben ist der Ort der Teilchen- Karambolage von haushohen Detektoren, in denen die Produkte der Kollision ihre verräterischen Spuren wie einen Fingerabdruck hinterlassen“ (Butscher, 2004, S. 86) (s. Abbildung 1).

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Abbildung 1: Teilchendetektor des Tevatron-Colliders am Fermi National Laboratory in Batavia (Kane, 2003, S. 32).

Laut Hänsel und Neumann (1995, S. 508/ 559) hatte man schließlich in den fünfziger und sechziger Jahren etwa dreihundert Teilchen entdeckt, die genauso „elementar“ wie das Proton oder Neutron aufgefasst werden müssen. Die große Anzahl von Elementarteilchen, der Nachweis von Baryonen- und Mesonenresonanzen und die Abweichung bei den Streuexperimenten von Elektronen an Nukleonen sprachen aber für noch fundamentalere Teilchen: die von Gell-Mann benannten und zusammen mit Zweig postulierten Quarks (1963) (s. Abbildung 2). Sie gelten laut Meyer (Meyer in Butscher, 2004, S. 86) als punktförmige, also wirklich elementare Teilchen, die sich im Inneren von Nukleonen befinden.

Das Quark-Modell, die Quantenchromodynamik (Theorie der starken Wechselwirkung) und schließlich das Modell der elektroschwachen Wechselwirkung, das von Weinberg und Salam aufbauend auf frühere Arbeiten von Glashow entwickelt wurde, bilden zusammen das Standardmodell der Teilchenphysik (s. Abbildung 2) (vgl. Coughlan/ Dodd, 1996, S. 241 und Tipler, 2000, S.1439).

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Abbildung 2: Gell-Man, Salam, Glashow und Weinberg (Hänsel/ Neumann, 1995, S. 548, 516)

Genz lobt: „Das Standardmodell fasst eine Vielzahl theoretischer Einsichten und experimenteller Ergebnisse aus verschiedenen Gebieten der Elementar- teilchenphysik konsistent zusammen. Es befindet sich in hervorragender Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Präzisionsexperimente, die zu seiner Überprüfung dienten“ (Genz in Vaas, 2004, S. 92). Kane (2003, S. 28) bestätigt, dass siebzehn Teilchen im Standardmodell ausreichen, die Alltagswelt – außer der Gravitation – und fast alle von Teilchenphysikern gesammelten Daten zu beschreiben.

Das Standardmodell als Grundgerüst besticht auch nach ca. 30 jährigem Bestehen durch seinen Erfolg. Vorhergesagt Teilchen konnten experimentell bestätigt werden, aber wie jede Theorie ist es auch nicht allumfassend. So können zahlreiche ungelöste Rätsel, die z.B. bei hochenergetischen Reaktionen auftreten, nur durch Erweiterungen gelöst werden.

2 Die Teilchen

Das Standardmodell liefert sehr genaue Beschreibungen der atomaren Bausteine. Nach dem heutigen Kenntnisstand besteht alle Materie und ihre Wechselwirkungen aus drei Sorten elementarer Teilchen: Leptonen, Quarks und Bosonen. Sie sind mit Sternchen in nachfolgender Tabelle (s. Tabelle 1) markiert.

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Tabelle 1: Zur Entwicklung der Elementarteilchenphysik (Unterstreichung bedeutet die hypothetische Einführung, Einrahmung den experimentellen Nachweis des Teilchens) Die mit einem Sternchen markierten Teilchen gehören zum Standardmodell (ohne Antiteilchen) (vgl. Hänsel/ Neumann, 1995, S. 517).

Alle Teilchen des Standardmodells können weiter in zwei Sorten unterteilt werden: Fermionen (Materieteilchen) und Bosonen (Wechselwirkungsteilchen). Zu den Fermionen zählen die drei Familien von Leptonen (leichte Teilchen) und die Quarks.

Zu jedem Teilchen existiert ein Antiteilchen das genau dieselbe Masse, Spin, Isospin, Eigenparität und, falls es instabil ist, dieselbe mittlere Lebensdauer besitzt. Sie haben entgegengesetzte Ladung, Baryonenzahl, 3-Komponente des Isospins, Seltsamkeit, Charme und Fermionenzahl (vgl. Lohrmann, 1990, S. 64). Die Existenz der Antiteilchen ist formal mit Hilfe der relativistischen Quantentheorie herzuleiten. Ale erstes Antiteilchen konnte Anderson 1932 das von Dirac geforderte Positron experimentell nachweisen. In einer Nebelkammer fand er die durch ein Photon erzeugte Elektron-Positron-Paarbildung, wie sie in Abbildung 3 dargestellt ist.

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Abbildung 3 links: P. Dirac (oben), C. D. Anderson (unten) Abbildung 3 Mitte: Nebelkammeraufnahme und

Abbildung 3 links: Skizze der Elektron-Positron-Paarbildung (Hänsel/ Neumann, 1995, S. 44, 433, 520).

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