Das Standardmodell

Zwischen 1968 und der Entdeckung des Higgs-Bosons am CERN im Jahr 2012 fügten Teilchenphysiker zusammen, was heute das Standardmodell heißt — eine Quantenfeldtheorie, die alle bekannten Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen außer der Gravitation beschreibt. Geprüft wurde es mit außerordentlicher Präzision: das anomale magnetische Moment des Elektrons stimmt auf zwölf signifikante Stellen mit der Vorhersage überein — die genaueste Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment in der gesamten Wissenschaft. Es ist zugleich frustrierend unvollständig: es schweigt zu Dunkler Materie (~25 % des Universums), zu Dunkler Energie (~70 %), zu den Neutrinomassen und zur Gravitation. Das Standardmodell ist die erfolgreichste und zugleich unbefriedigendste physikalische Theorie, die je geschrieben wurde.

Die Materie im Standardmodell setzt sich aus zwölf Fermionen in drei Generationen zusammen: die erste enthält die Up- und Down-Quarks, das Elektron und das Elektron-Neutrino; die zweite die Charm- und Strange-Quarks, das Myon und das Myon-Neutrino; die dritte die Top- und Bottom-Quarks, das Tau und das Tau-Neutrino. Quarks fügen sich zu Baryonen (drei Quarks — Protonen uud, Neutronen udd) und zu Mesonen (Quark-Antiquark-Paare); Leptonen wechselwirken nur elektroschwach. Drei der vier Kräfte sind Eichwechselwirkungen, vermittelt über zwölf Eichbosonen: die elektromagnetische Kraft (ein Photon, U(1)), die schwache Kernkraft (drei Bosonen — W⁺, W⁻, Z, verantwortlich für den Beta-Zerfall, SU(2)) und die starke Kernkraft (acht Gluonen, hält Hadronen zusammen, SU(3)). Abseits dieser Kraftträger steht ein einzelnes skalares Boson: das Higgs-Feld (sein Quant, das Higgs-Boson, wurde 2012 am LHC entdeckt) verleiht über den Higgs-Mechanismus Masse. Die elektroschwache Vereinigung (Glashow-Weinberg-Salam, Nobelpreis 1979) zeigt: bei hohen Energien sind die elektromagnetische und die schwache Kraft dieselbe Kraft. Die Quantenchromodynamik zeigt das Confinement — Quarks treten nie isoliert in Erscheinung. Das Standardmodell hat rund 20 freie Parameter (Massen, Mischungswinkel, Kopplungen), gemessen statt vorhergesagt. Was es nicht enthält, sticht ins Auge: die Gravitation, die Dunkle Materie, die Dunkle Energie (das Problem der kosmologischen Konstante: naive SM-Schätzungen liefern einen Wert, der 10¹²⁰-mal größer ist als der beobachtete), die Neutrinomassen und die Materie-Antimaterie-Asymmetrie.