Standardmodell

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist das theoretische Gerüst, das alle bekannten Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen über drei der vier fundamentalen Kräfte (elektromagnetisch, stark, schwach) beschreibt. Nur die Gravitation fehlt. Es wurde in den 1960er- und 1970er-Jahren von Sheldon Glashow, Steven Weinberg, Abdus Salam und anderen entwickelt und seitdem durch zahllose Experimente bestätigt.

Das Standardmodell enthält 17 Arten von Elementarteilchen, geordnet in Fermionen (Materieteilchen) und Bosonen (Kraftteilchen). Die Fermionen umfassen sechs Quarks (Up, Down, Charm, Strange, Top, Bottom) und sechs Leptonen (Elektron, Myon, Tauon und drei Neutrinos). Die Bosonen vermitteln die Kräfte: Photonen (Elektromagnetismus), W- und Z-Bosonen (schwache Kraft) und acht Gluonen (starke Kraft). Das Higgs-Boson, 2012 am CERN entdeckt, verleiht den anderen Teilchen ihre Masse über den Higgs-Mechanismus.

Das Standardmodell ist experimentell die am besten überprüfte Theorie der Physik. Es hat die Existenz des Top-Quarks, der W- und Z-Bosonen und des Higgs-Bosons vorhergesagt, bevor diese entdeckt wurden. Gleichzeitig hat es bekannte Lücken: Es erklärt nicht die Gravitation, die Dunkle Materie, die Dunkle Energie, die Masse der Neutrinos und den Überschuss von Materie über Antimaterie im Universum.

In der Science-Fiction dient das Standardmodell als Ausgangspunkt für spekulative Physik. Autoren wie Greg Egan in Schild's Ladder und Liu Cixin in der Trisolaris-Trilogie beschreiben Zivilisationen, die über das Standardmodell hinausgehende Physik entdeckt haben oder die fundamentalen Parameter des Modells manipulieren können.

Die bekannten Lücken des Standardmodells sind zugleich die Frontlinien aktueller Forschung. Dunkle Materie macht 27 Prozent der Energie des Universums aus, ist aber im Standardmodell nicht vorhanden. Die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie nach dem Urknall ist nicht erklärt. Die Neutrinomassen, die die Kamiokande- und SNO-Experimente nachwiesen, sind zwar ins Modell eingebaut worden, aber ihr Mechanismus ist unklar. Und die Gravitation fehlt vollständig.

Das Standardmodell hat 19 freie Parameter (Massen, Kopplungskonstanten, Mischungswinkel), die durch Messungen bestimmt, aber nicht aus fundamentaleren Prinzipien abgeleitet wurden. Warum hat das Elektron diese Masse? Das Modell weiß es nicht. Diese Lücken sind der Ausgangspunkt für alle Physik jenseits des Standardmodells (Beyond Standard Model Physics, BSM), die in Experimenten wie dem LHC gesucht und in Science-Fiction-Romanen vorweggenommen wird.