Techniklexikon

Standardmodell der Elementarteilchen

Teilchenphysik, experimentell exzellent bestätigtes Modell zur Beschreibung der Elementarteilchen und ihrer elektromagnetischen, starken und schwachen Wechselwirkungen (die Gravitation ist in Laborexperimenten vernachlässigbar) auf der Basis renormierbarer Eichtheorien. Das Teilchenspektrum des Standardmodells besteht aus jeweils sechs Quarks und Leptonen, die die Materie bilden, sowie den Eichbosonen, welche die Wechselwirkungen vermitteln (siehe Elementarteilchen, Tab. 1): das masselose Photon als Eichboson der Quantenelektrodynamik (QED) für die elektromagnetische Wechselwirkung elektrisch geladener Teilchen, acht masselose Gluonen als Eichbosonen der Quantenchromodynamik (QCD) für die Wechselwirkungen der Farbladungen tragenden Quarks sowie die massiven geladenen W- und das neutrale Z-Boson für die kurzreichweitige schwache Wechselwirkung. Da W-Bosonen elektrisch geladen sind, koppeln sie auch an das Photon und implizieren eine gemeinsame Beschreibung; in der Tat stellt die Vereinigung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung zu einer einizigen elektroschwachen Eichtheorie (Glashow-Weinberg-Salam-Modell) einen der herausragenden Erfolge des Standardmodells dar.

Bis in die 60er Jahre war die QED die einzige bekannte renormierbare Eichtheorie. Eichinvarianz implizierte masselose Eichbosonen und damit langreichweitige Kräfte. Den Durchbruch in den frühen 70er Jahren brachte der Beweis, dass auch Eichtheorien mit selbstkoppelnden Bosonen (sog. Yang-Mills-Theorien) renormierbar (Renormierung) sind und es bleiben, wenn die Eichsymmetrie spontan gebrochen wird (Higgs-Mechanismus) und die Eichbosonen und die Materieteilchen durch die Kopplung an das symmetriebrechende Higgs-Feld eine Masse erhalten.

Die minimale Version des Standardmodells – ohne rechtshändige Neutrinos und mit dem einfachsten symmetriebrechenden Mechanismus – enthält 19 freie, experimentell zu bestimmende Parameter: neun Fermionmassen, drei Winkel und eine Phase zur Beschreibung der Quarkmischung (CKM-Matrix), zwei Parameter für das Higgs-Potential und eine weitere Phase, welche den Vakuumzustand der QCD charakterisiert. Abgesehen von Einschränkungen durch die Renormierbarkeit ist auch das Teilchenspektrum des Standardmodells beliebig. Diese unbefriedigende Situation legt nahe, dass das Standardmodell auf einer noch zu findenden fundamentaleren Theorie, die evtl. auch die Gravitation einbindet, fusst, beispielsweise einer Stringtheorie.