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Teilchenphysik: Neue Physik jenseits des Standardmodells

Das Standardmodell der Teilchenphysik steht an einem historischen Wendepunkt. Noch ist sein Erfolg konkurrenzlos - aber zugleich zeichnet sich bereits seine Ablösung ab.


Seit Jahrhunderten suchen Philosophen und Naturforscher nach den Urbausteinen, aus denen all die Vielfalt und Schönheit unserer Alltagswelt sich zusammensetzt – und gegenwärtig lautet die erstaunlich einfache Antwort: Im Grunde reichen sechs Teilchenarten aus. Sie heißen Elektron, Up- und Down-Quark, Gluon, Photon und Higgs-Boson. Elf zusätzliche Teilchen genügen, um auch noch die exotischsten Phänomene zu beschreiben, welche die Teilchenphysiker untersuchen. Das ist nicht bloße Spekulation wie die vier Elemente der alten Griechen – Erde, Wasser, Luft und Feuer –, sondern folgt aus der raffiniertesten mathematischen Theorie, die je zur Naturbeschreibung ersonnen wurde. Trotz des Namens "Standardmodell der Teilchenphysik" handelt es sich dabei nicht nur um ein Modell, sondern um eine umfassende Theorie, die die Elementarteilchen charakterisiert und ihre Wechselwirkungen beschreibt. Alles, was in unserer Welt geschieht – mit Ausnahme der Wirkung der Schwerkraft –, gehorcht letztlich den Regeln und Gleichungen für Teilchen des Standardmodells.

Das Standardmodell wurde in den 1970er Jahren formuliert und Anfang der 1980er Jahre erstmals durch Experimente gestützt. Seit fast drei Jahrzehnten hat die Theorie jeden noch so harten Test bestanden. Dieser Erfolg ist einerseits erfreulich, denn er bestätigt, dass wir tatsächlich tiefer als je zuvor verstehen, wie die Natur funktioniert. Doch andererseits hat der Erfolg auch etwas Lähmendes. Bevor es das Standardmodell gab, waren die Physiker gewohnt, dass die Experimente, kaum hatte sich der Kreidestaub auf der gerade etablierten Theorie gesetzt, bereits neuartige Teilchen oder andere Hinweise auf eine neue Theorie lieferten. Nun warten sie schon dreißig Jahre darauf, dass dies mit dem Standardmodell geschieht.

Das Warten dürfte bald vorbei sein. Experimente bei bislang unerreichten Kollisionsenergien oder mit ungeahnt hoher Messgenauigkeit sind im Begriff, über das Standardmodell hinauszugehen. Diese Resultate werden das Modell nicht umstürzen, sondern es durch die Entdeckung neuer Teilchen und Kräfte erweitern. Ein einschlägiges Experiment findet seit 2001 am verbesserten Tevatron-Collider des Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia (US-Bundesstaat Illinois) statt. Dabei könnten unmittelbar hypothetische Teilchen namens Higgs-Bosonen entstehen, die das Standardmodell komplettieren, oder Partikel, die von der plausibelsten Erweiterung der Theorie vorhergesagt werden, die so genannten Superpartner der bekannten Teilchen.

Auch von den "B-Fabriken" kommen wichtige Daten. Diese Teilchenschleudern in Kalifornien und Japan sind darauf angelegt, milliardenfach das Bottom-Quark – eines der elf zusätzlichen Teilchen – und sein Antiteilchen zu erzeugen, um daran die so genannte CP-Verletzung zu studieren (siehe Spektrum der Wissenschaft 12/1998, S.90). CP steht für Ladungsparität (charge-parity), die Symmetriebeziehung zwischen Materie und Antimaterie. CP-Verletzung bedeutet, dass Antimaterie in ihrem Verhalten nicht das exakte Spiegelbild von Materie ist. Das bisher in Teilchenzerfällen beobachtete Ausmaß der CP-Verletzung lässt sich mit dem Standardmodell vereinbaren, aber es gibt gute Gründe, eine viel stärkere Verletzung zu erwarten, als das Modell zulässt. Erst eine Physik, die über das Standardmodell hinausgeht, vermag eine zusätzliche CP-Verletzung zu erzeugen.

Die Physiker untersuchen auch die präzisen elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Teilchen. Dem Standardmodell zufolge verhalten sich Elektronen und Quarks wie mikroskopische Magnete einer spezifischen Stärke, und in einem elektrischen Feld darf ihr Verhalten nur von ihrer elektrischen Ladung abhängen. Die meisten Erweiterungen des Standardmodells sagen gewisse Abweichungen bei magnetischer Stärke und elektrischem Verhalten voraus. Neue Experimente ermöglichen derart empfindliche Messungen, dass selbst diese winzigen Effekte nachweisbar sein werden.

Erst vor kurzem haben Astrophysiker beim Studium der Neutrinos, die von der Sonne und mit kosmischer Strahlung zur Erde gelangen, zweifelsfrei nachgewiesen, dass diese geisterhaften Partikel, die praktisch ohne Wechselwirkung den Erdball durchqueren, eine gewisse Masse besitzen (siehe Spektrum der Wissenschaft 10/2002, S. 21). Das war von Theoretikern, die an Erweiterungen des Standardmodells arbeiten, schon lange erwartet worden. Die nächste Versuchsserie wird klären, welche Art von Theorie die beobachtete Neutrinomasse zu erklären vermag.

Außerdem sind Versuche im Gange, die hypothetischen Partikel zu entdecken, aus denen die kalte dunkle Materie im Universum bestehen soll, und noch genauer als bisher zu erforschen, ob Protonen zerfallen. Ein Erfolg eines der beiden Projekte wäre ein Meilenstein der Physik jenseits des Standardmodells.

Um das Jahr 2007 wird der große Hadronen-Collider (Large Hadron Collider, LHC) den Betrieb aufnehmen, eine Maschine mit 27 Kilometer Umfang, die bei Cern, dem europäischen Labor für Teilchenphysik in der Nähe von Genf, in Bau ist (siehe Spektrum der Wissenschaft 9/2000, S. 68). Ein dreißig Kilometer langer linearer Elektron-Positron-Collider, der die Resultate des LHC ergänzen wird, befindet sich in der Entwurfsphase.

Während sich eine Physik jenseits des Standardmodells erst in Umrissen abzeichnet, erwecken Zeitungsberichte oft den Eindruck, das Standardmodell hätte sich als falsch erwiesen, wäre zusammengebrochen und würde demnächst aufgegeben. Doch so geht es in der Physik nicht zu.

Nehmen wir als Beispiel die Maxwell’schen Gleichungen; sie wurden Ende des 19. Jahrhunderts aufgestellt, um die elektromagnetische Kraft zu beschreiben. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts stellte sich heraus, dass für atomare Größenordnungen eine Quantenversion der Maxwell’schen Gleichungen nötig ist. Heute umfasst das Standardmodell diese quantisierten Maxwell-Gleichungen als eine Untermenge seiner Gleichungen. Doch das bedeutet keineswegs, dass Maxwells Gleichungen falsch sind. Sie wurden erweitert – und sind noch immer in Gebrauch, um unzählige elektronische Geräte zu konstruieren.

Ebenso wird uns das Standardmodell erhalten bleiben. Es ist eine vollständige mathematische Theorie – ein vielfach zusammenhängendes und höchst stabiles Gebäude. Es wird sich als Teil eines noch größeren Gebäudes erweisen, aber es kann nicht "falsch" sein. Kein tragendes Element der Theorie kann versagen, ohne dass das gesamte Gebilde einstürzt. Wäre die Theorie falsch, so wären viele erfolgreiche Tests purer Zufall gewesen. Das Modell wird weiterhin starke, schwache und elektromagnetische Wechselwirkungen bei niedrigen Energien beschreiben.

Ein dauerhaftes Gebäude

Das Standardmodell ist sehr gut erprobt. Es sagte die Existenz der W- und Z-Bosonen voraus sowie das Gluon und zwei schwerere Quarks namens Charm- und Top-Quark. Sie alle wurden daraufhin experimentell nachgewiesen und entsprachen exakt den Vorhersagen.

(Anmerkung der Redaktion: Normalerweise kombinieren sich in der Natur nur je drei Quarks zu Baryonen oder je zwei Quarks zu Mesonen. Das Standardmodell sagt aber auch Fünferkombinationen voraus. Tatsächlich wurde vor wenigen Monaten ein solches "Pentaquark" von Takashi Nakano an der Universität Osaka in Japan entdeckt. Das exotische Teilchen, das fast augenblicklich in ein Neutron und ein K-Meson zerfällt, hat exakt die theoretisch vorhergesagte Masse von 1,54 GeV.)

Ein zweiter wichtiger Test hängt mit dem elektroschwachen Mischungswinkel zusammen; dieser Parameter spielt eine Rolle bei der Beschreibung der schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkungen. Gemäß dem Standardmodell muss der Mischungswinkel für jeden elektroschwachen Prozess denselben Wert haben. Tatsächlich ist das allen Beobachtungen zufolge mit einer Genauigkeit von einem Prozent der Fall.

Drittens maß der Large Electron Positron Collider LEP bei Cern von 1989 bis 2000 rund 20 Millionen Z-Bosonen. Praktisch jedes einzelne zerfiel in der vom Standardmodell vorgeschriebenen Weise – sowohl bezüglich der Häufigkeit jeder Zerfallsart als auch hinsichtlich der Energien und Richtungen der Endprodukte. Diese Tests sind nur einige Beispiele für viele, die das Standardmodell samt und sonders bestätigt haben.

In all seiner Pracht enthält das Standardmodell 17 Teilchen und ungefähr ebenso viele freie Parameter, etwa für die Teilchenmassen und für die Stärke der Wechselwirkungen, die so genannten Kopplungskonstanten. Diese Größen können im Prinzip jeden Wert annehmen, und wir erfahren den korrekten Wert nur durch Messungen.

Gelegentlich vergleichen voreilige Kritiker die vielen Parameter des Standardmodells mit den Systemen von Epizyklen, welche die Theoretiker des Mittelalters zur Beschreibung der Planetenbahnen verwendeten. Sie meinen, das Standardmodell habe wenig Aussagekraft oder es könne durch Anpassen des einen oder anderen Parameters alles erklären.

Tatsächlich ist das Gegenteil wahr: Sobald die Massen und Kopplungskonstanten bei irgendeinem Prozess gemessen wurden, stehen sie für die gesamte Theorie und für jedes andere Experiment fest, ohne den geringsten Spielraum zu lassen. Außerdem wird die Form jeder Gleichung des Standardmodells durch die Theorie im Detail bestimmt. Jeder Parameter mit Ausnahme der Masse des Higgs-Bosons ist gemessen worden. Solange wir nicht über das Standardmodell hinausgehen, können neue Resultate unsere Kenntnis der Parameter nur noch weiter präzisieren – und damit wird es nicht einfacher, sondern schwieriger, alle experimentellen Daten unter einen Hut zu bringen, denn die gemessenen Größen müssen noch präziser übereinstimmen.

Suche nach Superpartnern

Scheinbar bringt das Erweitern des Standardmodells durch Hinzufügen weiterer Teilchen und Wechselwirkungen viel mehr Freiheit ins Spiel, aber das ist nicht unbedingt der Fall. Die derzeit favorisierte Erweiterung ist das Minimale Supersymmetrische Standardmodell (MSSM). Die Supersymmetrie weist jedem Teilchentyp einen Superpartner zu. Über deren Massen wissen wir wenig, aber ihre Wechselwirkungen sind durch die Supersymmetrie eingeschränkt. Wenn die Massen erst einmal gemessen sind, werden die Vorhersagen des MSSM sogar noch enger eingeschränkt sein als beim Standardmodell, weil die mathematischen Beziehungen der Supersymmetrie hinzukommen.

Wenn das Standardmodell so gut funktioniert, warum soll man es erweitern? Ein deutlicher Fingerzeig ergibt sich aus dem seit langem angestrebten Ziel, die Naturkräfte zu vereinigen. Im Standardmodell können wir die Kräfte extrapolieren und fragen, wie sie sich bei viel höheren Energien verhalten würden. Zum Beispiel: Wie sahen die Kräfte aus, als kurz nach dem Urknall extrem hohe Temperaturen herrschten? Bei tiefen Energien ist die starke Kraft rund dreißigmal stärker als die schwache Kraft und mehr als hundertmal stärker als der Elektromagnetismus. Wenn wir extrapolieren, stellt sich heraus, dass die Stärken dieser drei Kräfte sehr ähnlich werden, aber niemals genau gleich groß. Erst wenn wir das Standardmodell zum MSSM erweitern, werden die Kräfte bei einer bestimmten hohen Energie praktisch identisch. Es kommt noch besser: Bei etwas höherer Energie nähert sich auch die Schwerkraft derselben Stärke – ein Indiz für eine Verbindung zwischen den Kräften des Standardmodells und der Schwerkraft. Diese Resultate scheinen deutlich für das MSSM zu sprechen.

Wenn ich bei der Aufzählung der "zehn Rätsel" immer wieder sage, dass das Standardmodell ein Phänomen nicht erklären kann, meine ich damit nicht, die Theorie habe es nur noch nicht erklärt, werde das aber eines Tages zu Wege bringen. Das Standardmodell ist eine höchst eingeschränkte Theorie, und sie wird die aufgezählten Phänomene niemals erklären können.

Dennoch sind Erklärungen möglich. Ein Grund dafür, dass die supersymmetrische Erweiterung vielen Physikern gefällt, ist: Sie kann alle Rätsel bis auf das zweite und die letzten drei behandeln. Die Stringtheorie, in der die Teilchen nicht durch punktförmige Objekte dargestellt sind, sondern durch winzige eindimensionale Gebilde, behandelt die letzten drei Rätsel (siehe Spektrum der Wissenschaft 2/2003, S. 24).

Urknall als Teilchenschleuder

Dass das Standardmodell nicht alle Fragen zu beantworten vermag, ist nicht weiter überraschend – jede erfolgreiche wissenschaftliche Theorie erhöht die Anzahl der gelösten Probleme, lässt aber einige ungelöst. Und obwohl mit dem besseren Verständnis neue Fragen entstehen, die vorher nicht formuliert werden konnten, nimmt die Anzahl der ungelösten grundlegenden Fragen immer weiter ab.

Aus einigen der zehn Rätsel geht ein weiteres Argument dafür hervor, dass gegenwärtig eine neue Ära der Teilchenphysik beginnt. Wie sich herausstellt, ist die Lösung vieler grundlegender kosmologischer Probleme in der Teilchenphysik zu suchen; man spricht geradezu von "Teilchenkosmologie". Nur aus kosmologischen Untersuchungen konnten wir erfahren, dass das All aus Materie und nicht aus Antimaterie aufgebaut ist oder dass es zu rund einem Viertel aus kalter dunkler Materie besteht. Jede theoretische Erklärung muss diese Phänomene auf die Entwicklung des Universums nach dem Urknall zurückführen. Aber aus der Kosmologie allein geht nicht hervor, welche Teilchen die Kalte Dunkle Materie ausmachen, wie die Materie-Asymmetrie tatsächlich erzeugt wird oder wie die Inflation entsteht. Dafür muss die Erkenntnis der größten und der kleinsten Phänomene zusammenkommen.

Während die Physiker sich bereits all diesen über das Standardmodell hinausweisenden Rätseln zuwenden, bleibt noch ein wesentlicher Aspekt des Modells selbst zu ergänzen. Um den Leptonen, Quarks sowie den W- und Z-Bosonen eine Masse zu geben, postuliert die Theorie das Higgs-Feld, das noch nicht direkt nachgewiesen wurde.

Dieses Feld unterscheidet sich grundlegend von allen anderen. Nehmen wir, um den Unterschied zu sehen, das elektromagnetische Feld. Elektrische Ladungen sind Quellen elektromagnetischer Felder, die uns überall umgeben und beispielsweise im Radio hörbar werden. Elektromagnetische Felder transportieren Energie. Ein Raumgebiet hat seine niedrigstmögliche Energie, wenn das elektromagnetische Feld dort überall verschwindet. Das Nullfeld ist der natürliche Zustand in Abwesenheit geladener Teilchen. Überraschenderweise verlangt das Standardmodell, dass die tiefste Energie herrscht, wenn das Higgs-Feld einen bestimmten von null verschiedenen Wert hat. Infolgedessen erfüllt ein von null verschiedenes Higgs-Feld das Universum, und die Teilchen treten mit ihm in Wechselwirkung wie Menschen, die durch Wasser waten. Diese Wechselwirkung verleiht ihnen ihre träge Masse.

Das zum Higgs-Feld gehörige Quantenteilchen ist das Higgs-Boson. Im Standardmodell können wir keine Teilchenmasse aus Grundprinzipien ableiten – auch nicht die Masse des Higgs-Bosons selbst. Jedoch lassen sich einige Massen, so die des W- und Z-Bosons und des Top-Quarks, aus anderen gemessenen Größen berechnen. Diese Voraussagen haben sich bestätigt und stützen die zugrunde liegende Higgs-Physik.

Die Physiker wissen bereits einiges über die Higgs-Masse. In Experimenten mit dem LEP-Collider wurden rund zwanzig Größen gemessen, die das Standardmodell miteinander in Beziehung setzt. Alle zur Berechnung dieser Größen erforderlichen Parameter sind bereits bekannt – mit Ausnahme der Masse des Higgs-Bosons. Man kann daher von den Daten zurückschließen und fragen, welche Higgs-Masse am besten zu den zwanzig Größen passt. Die Antwort lautet, dass die Higgs-Masse weniger als 200 Giga-Elektronenvolt (GeV, Milliarden Elektronenvolt) betragen muss. Zum Vergleich: Die Masse des Protons ist rund 0,9 GeV, die des Top-Quarks 174 GeV. Dass es überhaupt eine Antwort gibt, ist ein starkes Indiz für die Existenz des Higgs. Andernfalls müssten die zwanzig Größen aufgrund eines bemerkenswerten Zufalls just so zusammenhängen, dass sie zu einer bestimmten Higgs-Masse passen. Unser Vertrauen in diese Vorgehensweise ist berechtigt, denn ganz ähnlich wurde die Masse des Top-Quarks exakt vorhergesagt, bevor ein einziges dieser Teilchen direkt nachgewiesen werden konnte.

Die LEP-Forscher suchten auch nach den Higgs-Teilchen selbst, konnten aber dabei nur eine Masse bis maximal 115 GeV finden. An dieser Obergrenze der mit LEP erreichbaren Energien traten bei einigen wenigen Ereignissen Teilchen auf, die sich wie Higgs-Bosonen verhielten. Doch die Daten waren zu spärlich für einen sicheren Nachweis. Alles in allem sprechen die Resultate für eine Higgs-Masse zwischen 115 und 200 GeV.

Der Large Hadron Collider – eine Higgs-Fabrik

LEP ist unterdessen demontiert worden, um dem Bau des LHC Platz zu machen, der in vier Jahren mit dem Datensammeln beginnen soll. Bis dahin geht die Suche nach Higgs-Teilchen am Tevatron des Fermilab weiter. Falls das Tevatron die geplante Intensität und Energie erreicht und nicht durch technische oder finanzielle Schwierigkeiten Betriebszeit verliert, könnte es in zwei bis drei Jahren ein 115-GeV-Higgs bestätigen. Wenn das Higgs-Boson schwerer ist, wird es länger dauern, ein klares Signal aus dem Hintergrund zu filtern. Das Tevatron wird, wenn alles läuft wie geplant, insgesamt mehr als 10000 Higgs-Bosonen produzieren, und es könnte untersuchen, ob sie sich verhalten wie vom Modell vorhergesagt. Der LHC wird sogar eine regelrechte Higgs-Fabrik sein, die ausgiebige Studien an Millionen dieser Teilchen ermöglicht.

Manches spricht dafür, dass auch einige der vom MSSM vorgesehenen Superpartnerteilchen genügend kleine Massen haben, um vom Tevatron produziert zu werden. Schon in den nächsten Jahren könnte sich die Supersymmetrie auf diese Weise direkt bestätigen. Der leichteste Superpartner gilt als Hauptkandidat für die Kalte Dunkle Materie im Universum; er könnte im Tevatron zum ersten Mal beobachtet werden. Doch erst der LHC wird Superpartner – falls sie existieren – in großen Mengen erzeugen und eindeutig klären, ob die Natur tatsächlich supersymmetrisch ist.

Um das Verhältnis des Standardmodells zur übrigen Physik sowie seine Stärken und Schwächen ganz zu erfassen, ist es nützlich, den Begriff der effektiven Theorien einzuführen. Eine effektive Theorie ist eine Beschreibung eines Aspekts der Natur, deren Eingabedaten – zumindest im Prinzip – mithilfe einer tiefer liegenden Theorie berechenbar sind. In der Kernphysik zum Beispiel dienen Masse, Ladung und Spin des Protons als Eingabedaten. Im Standardmodell lassen sich diese Größen ausrechnen, indem man die Eigenschaften der Quarks und Gluonen als Eingabedaten verwendet. Die Kernphysik ist eine effektive Theorie der Atomkerne, während das Standardmodell die effektive Theorie der Quarks und Gluonen ist.

So gesehen ist jede effektive Theorie unabgeschlossen und gleichermaßen fundamental – das heißt, eigentlich überhaupt nicht fundamental. Wird die Stufenleiter der effektiven Theorien sich fortsetzen? Das MSSM löst einige Probleme, die das Standardmodell nicht löst, aber es ist wiederum eine effektive Theorie, denn es hat seinerseits Eingabedaten. Diese wiederum sind vielleicht in der Stringtheorie berechenbar.

Selbst vom Standpunkt effektiver Theorien hat die Teilchenphysik möglicherweise einen Sonderstatus. Sie könnte unser Naturverständnis so weit voranbringen, dass die Theorie ohne Eingabedaten formuliert werden kann. Mit der Stringtheorie oder einer ihrer Verwandten lassen sich vielleicht sämtliche Inputs berechnen – nicht nur die Elektronmasse und ähnliche Größen, sondern auch die Struktur der Raumzeit und die Regeln der Quantentheorie. Doch von diesem Ziel sind wir noch eine oder zwei effektive Theorien weit entfernt.

Literaturhinweise


Supersymmetry: Unveiling the Ultimate Laws of Nature. Von Gordon Kane. Perseus Publishing, 2001.

The Little Book of the Big Bang: A Cosmic Primer. Von Craig J. Hogan. Copernicus Books, 1998.

The Rise of the Standard Model: A History of Particle Physics from 1964 to 1979. Von Lillian Hoddeson et al. (Hg.). Cambridge University Press, 1997.


In Kürze


- Das Standardmodell der Teilchenphysik ist die erfolgreichste Theorie der Wissenschaftsgeschichte. Doch nun mehren sich die Zeichen, dass es um neue Teilchen erweitert werden muss, die in hochenergetischen Reaktionen auftreten.

- Groß angelegte Experimente werden schon bald direkte Hinweise auf diese neuen Teilchen liefern. Damit tritt die Teilchenphysik nach dreißig Jahren der Konsolidierung in eine neue Phase. Zahlreiche Rätsel könnten mit einer Erweiterung des Standardmodells gelöst werden.

- Ein Bestandteil des Standardmodells – das Higgs-Boson – ist noch nicht beobachtet worden. Der Tevatron-Collider in den USA oder der Large Hadron Collider bei Cern könnten in einigen Jahren Higgs-Teilchen erzeugen und messen.


Zehn Rätsel


Triftige Gründe für eine Erweiterung des Standardmodells ergeben sich aus Phänomenen, die es nicht zu erklären vermag oder die sogar mit ihm unvereinbar sind:

1. All unsere heutigen Theorien scheinen zu besagen, dass das Universum eine ungeheure Konzentration an Energie enthält – selbst in den leersten Regionen des Weltraums. Die Gravitationseffekte dieser so genannten Vakuumenergie hätten das Universum schon längst entweder eng einrollen oder noch viel mehr aufblähen müssen. Das Standardmodell vermag dieses Rätsel – das Problem der kosmologischen Konstanten – nicht zu lösen.

2. Lange glaubten die Kosmologen, die Expansion des Universums müsse sich verlangsamen, weil sie durch die gegenseitige Gravitationsanziehung der Materie gebremst wird. Erst seit kurzem wissen wir, dass die Expansion sich beschleunigt und dass die Ursache dafür – "Dunkle Energie" genannt – nicht mit der Physik der Standardmodells zu vereinbaren ist.

3. Es gibt starke Indizien für die so genannte kosmische Inflation: In den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall machte das Universum eine extrem rasche Expansion durch. Die für die Inflation verantwortlichen Felder können nicht dem Standardmodell entstammen.

4. Wenn das All mit dem Urknall, das heißt mit einem riesigen Ausbruch purer Energie begann, müsste daraus aufgrund der Ladungsparität – der Symmetrie zwischen Teilchen und Antiteilchen – exakt gleich viel Materie und Antimaterie entstanden sein. Doch stattdessen bestehen die Sterne und Nebel aus Protonen, Neutronen und Elektronen – und nicht aus deren Antiteilchen. Diese Asymmetrie lässt sich mit dem Standardmodell nicht erklären.

5. Rund ein Viertel des Universums besteht aus Kalter Dunkler Materie; diese unsichtbare, exotische Substanz kann nicht aus Teilchen des Standardmodells zusammengesetzt sein.

6. Im Standardmodell erwerben die Teilchen ihre Masse durch Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld, dessen Quanten die – noch nicht experimentell nachgewiesenen – Higgs-Bosonen sind. Das Standardmodell kann aber die eigentümliche Form dieser Higgs-Wechselwirkung nicht erklären.

7. Die quantentheoretisch berechnete Masse des Higgs-Bosons ist enorm groß. Dadurch würden aber auch die Massen aller Teilchen viel zu groß. Dieses Ergebnis lässt sich im Standardmodell nicht vermeiden und verursacht somit ein grundlegendes Problem.

8. Das Standardmodell kann die Gravitation nicht einschließen, weil sie sich von den drei anderen Kräften grundlegend unterscheidet.

9. Das Standardmodell vermag die Werte für die Massen der Quarks und der Leptonen – beispielsweise von Elektron und Neutrino – nicht zu erklären.

10. Das Standardmodell gruppiert die Teilchen in drei Familien. Die Alltagswelt besteht nur aus Partikeln der ersten Familie, und für sie scheint eine eigene geschlossene Theorie zu gelten. Das Standardmodell beschreibt alle drei Familien, vermag aber nicht zu erklären, warum es mehr als eine Familie gibt.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 9 / 2003, Seite 26
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
9 / 2003

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 9 / 2003

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