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Aufbau der Materie

Das Standard Modell

Das sog. Standard Modell der Elementarteilchenphysik liefert die gegenwärtige Beschreibung aller Phänomene der Teilchenphysik. Lediglich die Gravitation wird in ihm nicht berücksichtigt, ihre Wirkung auf Elementarteilchen ist jedoch in der Regel vernachlässigbar.

Die Forschungen der letzten 30 Jahre haben das Standard Modell mit einer kaum erwarteten Genauigkeit bestätigt. Es bietet eine Beschreibung sowohl des Teilcheninhalts als auch der Dynamik, d.h. der zwischen diesen Materieteilchen wirksamen Kräfte. Diese Kräfte werden wiederum mit dem Austausch von Teilchen erklärt, wobei diese "Austauschteilchen" (auch Eichbosonen genannt) nicht mit den zuvor erwähnten Materieteilchen verwechselt werden dürfen.

Nach dem Standard Modell besteht Materie aus 12 Materieteilchen (je 6 Quarks und Leptonen), zwischen denen 3 verschiedene Kräfte (elektromagnetische--, schwache-- und starke Kraft) wirksam sind. Wie oben bereits angedeutet, wird die Kraftwirkung durch den Austausch sog. Eichbosonen erklärt. Derer gibt es ebenfalls 12: Das Photon für den Elektromagnetismus, 8 Gluonen für die starke Wechselwirkung sowie W+, W- und Z Teilchen als Träger der schwachen Kraft. Schließlich gibt es mit dem sog. Higgs Boson ein zusätzliches Teilchen, das eine Erklärung für die Teilchenmassen liefert.

Diese Teilchen sind in der Abbildung dargestellt. Die 12 Materieteilchen lassen sich sinnvoll sog. Generationen zuordnen. Die Elemente der zweiten und dritten Generation sind jeweils schwerere Kopien der Teilchen der ersten Generation und zudem instabil. Sie zerfallen in Teilchen, die der ersten Generation angehören, sodass die gesamte uns umgebende Materie nur aus den Mitgliedern der ersten Generation besteht. Die Existenz dieser scheinbar überflüssigen Kopien stellt ein großes Rätsel der Teilchenphysik dar.

Das Standard Modell ist in der Sprache der Quantenfeldtheorie formuliert. Alle seine Vorhersagen können mathematisch aus seiner sog. "Lagrangedichte" abgeleitet werden. Diese Funktionen sind im Folgenden dargestellt. Sie repräsentieren gewissermaßen unser gesamtes Wissen der Teilchenphysik. Diese Gleichungen enthalten jedoch sog. freie Parameter, d.h. Werte für Naturkonstanten, die nur aus dem Experiment gewonnen werden können. Erst zusammen mit diesen 18 freien Parametern können aus diesen Gleichungen Vorhersagen getroffen werden. Die verschiedenen Elemente des Standard Modells folgen im Übrigen dem selben Bauplan, es sind sog. Eichtheorien. Trotz der großen Erfolge des Standard Modells zweifelt niemand daran, dass es noch neue Physik jenseits dieser Theorie gibt. Einige Probleme des Standard Modells werden hier diskutiert.

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Letzte Änderung: Juli 16, 2004