Elementarteilchenphysik

Elementarteilchenphysik

Die Teilchenphysik ist eine Disziplin der Physik, welche sich der Erforschung der Teilchen widmet. Beschränkte sich dies gegen Ende des 19. Jahrhunderts auf Moleküle, Atome und Nukleonen, so liegt der Schwerpunkt der wissenschaftlichen Arbeit heute auf den Elementarteilchen.

In der modernen Teilchenphysik geschieht die experimentelle Überprüfung physikalischer Modelle primär durch Teilchenbeschleuniger, in denen verschiedene Teilchen aufeinander geschossen werden (beispielsweise Elektronen auf Positronen). Anhand der entstehenden Reaktionsprodukte, deren Verteilung in den Teilchen- und Strahlungsdetektoren und der Energie- und Impulsbilanz lassen sich neue und bekannte Teilchen identifizieren.

Diese Experimente finden bei sehr hohen Schwerpunktenergien der Teilchen statt, weshalb man mittlerweile häufig von der Hochenergiephysik statt der Teilchenphysik spricht. Diese umfasst jedoch auch schwerionenphysikalische Experimente bei hohen Energien.

Als sich die Zahl der bekannten Elementarteilchen immer weiter vergrößerte, widmete man sich der Ordnung dieser Partikel nach ihren Eigenschaften und begann gleichzeitig Vorhersagen über noch nicht beobachtete Teilchen aufzustellen. Der gegenwärtige Stand der Teilchenphysik – und viele ihrer Vorhersagen – ist im sogenannten Standardmodell zusammengefasst.

Inhaltsverzeichnis

Standardmodell der Elementarteilchenphysik

Hauptartikel: Standardmodell

Das heutige Wissen über die Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen wird im Standardmodell der Elementarteilchenphysik zusammengefasst. Das Standardmodell erlaubt eine konsistente Beschreibung der starken, der schwachen und der elektromagnetischen Wechselwirkung in Form von Quantenfeldtheorien.

Im Standardmodell existieren zwölf Teilchen und zwölf Antiteilchen, welche in Leptonen und Quarks unterteilt werden. Die Kräfte, welche zwischen diesen Teilchen wirken, werden durch den Austausch von Eichbosonen vermittelt. Für die elektromagnetische Wechselwirkung ist dies das masselose Photon, für die schwache Wechselwirkung die massiven W-Bosonen und das ebenfalls massive Z-Boson, während die starke Wechselwirkung durch acht masselose Gluonen vermittelt wird. Auch gibt es die Annahme, dass ein Graviton existieren könnte, welches die Gravitation vermittelt. Ein wichtiger Unterschied zu Vorstellungen der Alltagswelt und der klassischen Physik ist, dass das Standardmodell sehr stark holistisch geprägt ist: Verbinden sich mehrere Bausteine zu einem einzigen neuen Gegenstand, stellt man sich klassisch vor, dass die Bausteine im neuen Gegenstand noch vorhanden sind und dort weiterexistieren. Bei einem Zerfall des neuen Gegenstandes erhält man wie beim Auseinanderbauen eines Lego-Modells wieder die ursprünglichen Bausteine. Im Standardmodell können bei Kollisionen zweier Teilchen (z. B. eines Elektrons mit einem Positron) diese auch zu einem einzigen (z. B. einem Photon) fusionieren. Das neue Teilchen jedoch wird nicht als aus den beiden ursprünglichen zusammengesetzt gedacht. Es ist wieder ein "unteilbares" (d. h. ohne Substruktur) Elementarteilchen für sich allein. Diese Vorstellung ergibt sich zwangsweise daraus, dass das neue Teilchen, wenn es selbst "zerfällt", in andere Teilchen (z. B. Myonen) zerfallen kann, als die aus denen es entstanden ist.

Im Rahmen des Standardmodells wird zusätzlich das Higgs-Boson vorausgesagt, das bis heute (November 2008) nicht beobachtet werden konnte. Forscher gehen davon aus, dass der sich derzeit im Entstehen befindende LHC des CERN in der Lage sein wird, das Higgs-Boson nachzuweisen. Sollte das auch mit diesem Teilchenbeschleuniger nicht gelingen, müsste die Theorie von der Existenz des Teilchens verworfen werden. Der Grund, warum man davon ausgeht, dass das Higgs-Boson existiert, ist nicht, dass es in der Vergangenheit direkte Beobachtungen gegeben hätte, die auf diese Existenz hinweisen. Durch das Higgs-Boson ließe sich vielmehr theoretisch elegant erklären, warum (fast) alle anderen Teilchen nicht masselos (wie z. B. das Photon) sind, sondern eine Masse besitzen.

Es steht aus theoretischen Überlegungen fest, dass das Standardmodell oberhalb bestimmter Teilchenenergien keine korrekte Beschreibung der Welt liefern kann. Aus diesem Grund wurden auch ohne empirische Daten, die auf ein Versagen des Standardmodells hinweisen, Erweiterungen des Standardmodells entwickelt. Davon seien hier die Supersymmetrie und die Stringtheorie genannt.

Experimentelle Teilchenphysik

Teilchenphysik wird durch Streuexperimente durchgeführt.

Die größten internationalen Labore für Teilchenphysik sind:

Darüber hinaus gibt es viele weitere Teilchenbeschleuniger, welche, je nach physikalischer Fragestellung, in unterschiedlichen Energiebereichen arbeiten.

Siehe auch

Weblinks


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