Zum Standardmodell der Teilchenphysik

Zum Standardmodell der Teilchenphysik
Das sehr erfolgreiche Standardmodell der Teilchenphysik (SM) fat unser gegenwartiges Verstandnis der Bestandteile der Materie und der Krafte, die deren
Verhalten bestimmen, zusammen.
Das SM enthalt
die fundamentalen Teilchen
{ Leptonen
{ Quarks
e e u c t
d s b
[und davon die Antiteilchen]
{ Photon Weakonen W Z
Gluonen fgg
Higgs-Teilchen H
die grundlegenden Konzepte
{ Alle Krafte entstehen durch Austausch von Teilchen; diese ubertragen
neben Energie und Impuls charakteristische Eigenschaften (Quantenzahlen).
! Die Existenz der Teilchen bedingt die Existenz der Krafte und umgekehrt.
{ Die Form der Krafte ist gegeben durch die Raum-Zeit-Lokalitat der Eichungen. Beispielsweise haben Quarks unterscheidbare Eigenschaften,
aber ein(ig)e dieser Eigenschaften konnen nach bestimmen Konventionen umgeeicht werden, ohne sonst etwas zu verandern.
! Dies nennt man eine Eich-Symmetrie. Solche Konventionen konnen
zu verschiedenen Zeiten und an verschiedenen Orten frei gewahlt werden. Diese lokale Eichfreiheit ist der Ursprung der Krafte.
Das SM enthalt versteckte Symmetrien, die zwar der zugrundeliegenden
mathematischen Form eigen sind, aber in unserer heutigen Natur nicht in
Erscheinung treten. Dies ist beispielsweise der Fall bei der Symmetrie, die
die elektromagnetischen und die schwachen Krafte vereint. Hier ist die Gemeinsamkeit wegen der groen Massen von W und Z und der Masselosigkeit
des Photons nicht oensichtlich.
! Das Konzept der versteckten Symmetrien eronet die Moglichkeit, da
auch andere, in der Natur getrennt erscheinende Phanomene durch eine
versteckte Symmetrie verbunden sind.
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Das Standardmodell ist eine sehr gute Beschreibung der Natur in dem uns derzeit,
durch technische und okonomische Randbedingungen gegebenen, zuganglichen
(und beschrankten) Energiebereich, aber mit unubersehbaren Unvollkommenheiten und Schwachen, die es in einer ubergeordneten Theorie zu uberwinden gilt.
Vier aktuelle Hauptfragestellungen:
Sind Neutrinos masselos? Warum sind die Massen der Leptonen und die
der Quarks so stark verschieden?
Wie ist die CP-Symmetrie, die Materie und Antimaterie verbindet, gebrochen oder versteckt?
Kann die starke Wechselwirkung mit der elektroschwachen vereint werden?
! \Groe Vereinigung", GUT = Grand Unied Theory
Kann eine \Supersymmetrie" (SUSY) die \Krafttragerteilchen" und die
\Materieteilchen" miteinander verbinden? ! SUSY bringt Fermionen und
Bosonen zusammen.
Viele wichtige Detailfragen sind zu beantworten: Man versteht nicht, wieso es
ausgerechnet 3 Familien der Fermionen gibt etc. Es gibt noch viel Platz fur
U berraschungen. Was ist, wenn das Higgs-Teilchen auch in den Experimenten
der nachsten Generation nicht gefunden wird oder wenn eine Brechung der CPTSymmetrie entdeckt wird?
Mogliche Erweiterungen des Standardmodells:
Da das Standardmodell in seiner jetzigen Form die Gravitationswechselwirkung
auen vor lat, ist ein wesentlicher Aspekt der Erweiterung die Formulierung der
Quantengravitation und deren Einbau zu einer sogenannten Theory of Everything
TOE. Theoretische U berlegungen zeigen, da das Konzept der Punktformigkeit
eines Teilchens bei der sogenannten Planck-Skala (siehe auch `Mikro- und Makrokosmos') aufgegeben werden mu. Hier konnten dann die sogenannten Strings
Abhilfe schaen, sehr komplizierte mathematische Gebilde, die die Teilchen als
Knoten eines solchen schwingenden `Fadens' auassen.
Am Ende des 19. Jahrhunderts waren viele namhafte Physiker davon uberzeugt,
da, bis auf die Klarung von kleinen Details, die Physik eine abgeschlossene
Wissenschaft sei, in der es keinen Platz fur neue Entdeckungen und unerklarte
Phanomene gebe. Am Ende des 20. Jahrhunderts steht vor der Teilchenphysik
eine spannende und herausfordernde Zukunft.
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