Standardmodell der Teilchenphysik

Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt das Verhalten aller bekannten Elementarteilchen und deren Wechselwirkungen. Die Theorie hat sich bisher stets bewährt – und dennoch sind sich Physikerinnen und Physiker einig, dass das Standardmodell entweder erweitert oder aber durch eine neue, umfassendere Theorie ersetzt werden muss.

Die gesamte im Universum sichtbare Materie lässt sich auf wenige Grundbausteine zurückführen. Das Verhalten dieser Elementarteilchen und deren Wechselwirkungen untereinander beschreibt das in den frühen 1970er-Jahren entwickelte Standardmodell der Teilchenphysik. Mit dieser Theorie ließen sich in den vergangenen Jahrzehnten nicht nur viele Beobachtungen und Phänomene erklären, sondern auch vorhersagen. Ein prominentes Beispiel ist etwa das Higgs-Boson: Bereits 1964 vorgeschlagen ließ sich dieses Teilchen nahezu fünfzig Jahre später am Forschungszentrum CERN tatsächlich nachweisen. Damit hatten Physikerinnen und Physiker alle im Standardmodell beschriebenen Bausteine aufgespürt. Ein großer Erfolg für die Theorie.

Dem Standardmodell zufolge existieren insgesamt zwölf verschiedene Materieteilchen, wobei nur drei davon in der stabilen Materie – aus der Atome und letztlich auch wir bestehen – auftreten. Zudem beschreibt das Modell drei der vier fundamentalen Wechselwirkungen in der Natur: Die starke Kraft, die schwache Kraft und die elektromagnetische Kraft kommen demnach durch den Austausch von weiteren Teilchen zustande. Auch das Higgs-Boson spielt eine wichtige Rolle in der Theorie. Im Rahmen des Standardmodells ließ sich die Masse der verschiedenen Elementarteilchen nämlich nicht als fundamentale Eigenschaft der Teilchen beschreiben, so wie etwa die elektrische Ladung. François Englert, Robert Brout und Peter Higgs führten daraufhin einen zusätzlichen physikalischen Mechanismus ein, der die Existenz des Higgs-Bosons bedingte. 2013 – ein Jahr nach dem Fund dieses Teilchens – wurde ihre Idee mit dem Nobelpreis gewürdigt.

Elementarteilchen des Standardmodells

Auch wenn das Standardmodell die subatomare Welt beeindruckend exakt beschreibt, hat die Theorie auch Unzulänglichkeiten. So widersetzt sich beispielsweise die Gravitation als vierte fundamentale Kraft bislang allen Versuchen, sie im Standardmodell zu integrieren. Zudem liefert die Theorie keine Antwort auf die Frage nach Dunkler Materie oder Dunkler Energie, auf die astrophysikalische Beobachtungen hinweisen. Zum anderen verwundert die Tatsache, dass im Universum sehr viel mehr Materie als Antimaterie zu beobachten ist – und das, obwohl diese beiden Materieformen gemäß dem Standardmodell nahezu gleichberechtigt sein dürften.

Physikerinnen und Physiker wollen das Standardmodell daher entweder erweitern oder sogar durch eine neue, umfassendere Theorie ersetzen. In verschiedenen Experimenten suchen sie dafür nach Anhaltspunkten, indem sie beispielsweise die Masse der sogenannten W-Bosonen oder die magnetischen Eigenschaften von Myonen präzise vermessen. Würden die Ergebnisse nicht mit den theoretischen Vorhersagen für diese Bausteine des Standardmodells übereinstimmen, könnte dies auf eine Schwäche der Theorie hindeuten.