Das Standardmodell
- Twelve fermions in three generationsnoch nicht geprüft
- Three gauge forces and their bosonsnoch nicht geprüft
- The Higgs field giving particles massnoch nicht geprüft
- Gravity, dark matter, and what it omitsnoch nicht geprüft
Zwischen 1968 und der Entdeckung des Higgs-Bosons am CERN im Jahr 2012 trugen die Teilchenphysiker zusammen, was heute das Standardmodell heißt: eine Quantenfeldtheorie sämtlicher bekannten Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen, die Gravitation ausgenommen. Geprüft ist sie außerordentlich genau — das anomale magnetische Moment des Elektrons trifft die Rechnung auf zwölf signifikante Stellen, die beste Übereinstimmung von Theorie und Experiment, die es in der Wissenschaft überhaupt gibt. Und sie ist ärgerlich lückenhaft: Zur Dunklen Materie (~25 % des Universums) schweigt sie, zur Dunklen Energie (~70 %) ebenso, zu den Neutrinomassen und zur Gravitation auch. Erfolgreicher und unbefriedigender zugleich war noch keine physikalische Theorie.
Die Materie besteht im Standardmodell aus zwölf Fermionen, geordnet in drei Generationen: zur ersten gehören das Up- und das Down-Quark, das Elektron und das Elektron-Neutrino, zur zweiten das Charm- und das Strange-Quark, das Myon und das Myon-Neutrino, zur dritten das Top- und das Bottom-Quark, das Tau und das Tau-Neutrino. Quarks setzen sich zu Baryonen zusammen (drei Quarks — Proton uud, Neutron udd) und zu Mesonen (Quark-Antiquark-Paare); Leptonen wechselwirken nur elektroschwach. Drei der vier bekannten Kräfte sind Eichwechselwirkungen, getragen von zwölf Eichbosonen: die elektromagnetische Kraft (ein Photon, U(1)), die schwache Kernkraft (drei Bosonen — W⁺, W⁻, Z —, zuständig für den Betazerfall, SU(2)) und die starke Kernkraft (acht Gluonen, die die Hadronen zusammenhalten, SU(3)). Neben diesen Kraftträgern steht ein einzelnes skalares Boson: Das Higgs-Feld — sein Quant, das 2012 am LHC entdeckte Higgs-Boson — verleiht über den Higgs-Mechanismus die Massen. Die elektroschwache Vereinheitlichung (Glashow-Weinberg-Salam, Nobelpreis 1979) zeigt, dass die elektromagnetische und die schwache Kraft bei hohen Energien ein und dieselbe sind. Die Quantenchromodynamik bringt das Confinement mit sich: Einzelne Quarks bekommt niemand zu sehen. Rund 20 freie Parameter — Massen, Mischungswinkel, Kopplungen — sind gemessen, nicht vorhergesagt. Was nicht darin vorkommt, springt ins Auge: die Gravitation, die Dunkle Materie, die Dunkle Energie (das Problem der kosmologischen Konstante: naive Abschätzungen im Standardmodell liefern das 10¹²⁰-Fache des beobachteten Werts), die Neutrinomassen und die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie.