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Standardmodell der Teilchenphysik

Die Teilchenphysik beschäftigt sich mit den Grundbausteinen der Materie und den zwischen ihnen wirkenden Kräften.

Der erste Schritt zur Teilchenphysik war die Erkenntnis, dass Materie kein Kontinuum darstellt, sondern aus kleinsten Teilchen aufgebaut ist.
Diese Teilchen nannte man Atome, sie sollten ja elementar, d.h. nicht weiter teilbar sein.

Mit der Erkenntnis, dass die Atome der verschiedenen Elemente nach ihren Eigenschaften in einem periodischen System angeordnet werden können, erwog man, dass Atome eine Substruktur haben.

Mit der Entdeckung des Elektrons, Protons und etwas später des Neutrons und den damit einhergehenden Atommodellen schien klar, dass die elementarsten Teilchen nun gefunden seien.

Mit der Entdeckung weiterer Teilchen, wie z.B. dem  Myon in der kosmischen Strahlung und über hundert weiterer Teilchen in Teilchenbeschleunigern entbrannte die Frage nach den elementarsten Bausteinen neu.

Wie zuvor bei den Atomen erkannte man auch bei den entdeckten Teilchen periodische Muster und man nahm wieder an, dass die gefunden Teilchen eine Substruktur haben.
 
Schließlich konnte „das Periodensystem der Physik“ entwickelt werden, das bis heute (fast) alle Beobachtungen erklären kann, man nennt es „das Standardmodell der Teilchenphysik“.

Das folgende Schema versucht, alle wichtigen Aspekte des Standardmodells zusammenzufassen.

 

 

Im Standardmodell werden die Elementarteilchen und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte beschrieben, diese sind

  • Elektromagnetische Kraft
  • Schwache Kraft
  • Starke Kraft

Die in der makroskopischen Welt vorherrschende Kraft, die gravitative Kraft konnte noch nicht in das Standardmodell eingebunden werden.

Nicht alle Teilchen spüren alle drei Kräfte, dies wird durch die verschiedenen Ebenen in dem Schema verdeutlicht:
Die starke Kraft spüren nur die Teilchen auf der obersten Ebene, die Quarks.
Die elektromagnetische Kraft wirkt  neben den Quarks auch noch auf die geladenen Leptonen (mittlere Ebene), zu denen auch das Elektron  und das Myon gehören.
Die schwache Kraft wirkt auf alle Teilchen, auch auf die ungeladenen Leptonen, die  Neutrinos.

Eine weitere Möglichkeit der Klassifikation der Teilchen sind die Familien (auch Generationen genannt), von denen es drei gibt.

Die uns umgebende, alltägliche Materie besteht nur aus Teilchen der ersten Familie, z.B. besteht ein Proton aus zwei up-Quarks (u) und einem down-Quark (d), ein Neutron aus einem up-Quark (u) und zwei down-Quarks (d).

Die Teilchen der zweiten und dritten Generation treten nur bei extremen Bedingungen auf, z.B. in Teilchenbeschleunigern oder in den oberen Schichten der Atmosphäre, wo kosmische Strahlung auf Gasteilchen trifft, als Folge dieses Prozesses entstehen z.B. Myonen.

Zurück zur Erläuterung des Schemas: Das Grundgerüst des Standardmodells sind relativistische Quantenfeldtheorien, eine Quantenfeldtheorie ist die Zusammenführung von klassischer Feldtheorie (wie z.B. der Elektrodynamik), Quantenmechanik und Relativitätstheorie.
In einer Quantenfeldtheorie werden nicht nur Energien und Impulse quantisiert, sondern darüber hinaus auch das Feld, oder anders ausgedrückt: Kräfte werden durch Austauschteilchen vermittelt.
Im Schema steht das jeweilige Austauschteilchen in Klammer hinter der Kraft, die elektromagnetische Kraft wird zum Beispiel durch Photonen vermittelt.