Teilchen und Kräfte
Lernen Sie den Teilchenzoo kennen: Quarks, Leptonen und Eichbosonen. Verstehen Sie die vier Kräfte, die Standardmodelltabelle und die Funktionsweise des LHC.
Teilchenphysik
Das Standardmodell, Quarks, Leptonen, Eichbosonen, das Higgs-Feld und die Suche nach Physik jenseits des Standardmodells.
Übersicht
Die Teilchenphysik untersucht die grundlegenden Bestandteile der Materie und die Kräfte zwischen ihnen. Das Standardmodell – eine in den 1960er und 70er Jahren entwickelte Quantenfeldtheorie – beschreibt drei der vier Grundkräfte und alle bekannten Elementarteilchen. Es wurde mit außergewöhnlicher Präzision getestet und bleibt das erfolgreichste Vorhersagesystem in der gesamten Wissenschaft.
Das Standardmodell
Materieteilchen – Fermionen
Materie ist aus aufgebaut Fermionen (Spin-½-Teilchen, die dem Pauli-Ausschlussprinzip gehorchen). Es gibt sechs Quarks – oben, unten, Charme, seltsam, oben, unten – die die starke Kraft spüren und sich zu Hadronen (Protonen, Neutronen, Pionen) verbinden. Es gibt sechs Leptonen – Elektron, Myon, Tau und die drei entsprechenden Neutrinos – die die starke Kraft nicht spüren.
Kraftträger – Eichbosonen
Kräfte werden durch vermittelt Eichbosonen: das Photon (elektromagnetische Kraft), W⁺-, W⁻-, Z⁰-Bosonen (schwache Kernkraft) und acht Gluonen (starke Kraft). Die Schwerkraft hat im Standardmodell keine Quantenbeschreibung – das hypothetische Graviton ist kein Teil davon.
Der Higgs-Mechanismus
Das Higgs-Feld füllt den gesamten Raum aus. Teilchen gewinnen Masse, indem sie mit ihnen interagieren: Die W- und Z-Bosonen erhalten Masse durch elektroschwache Symmetriebrechung, während Quarks und geladene Leptonen durch Yukawa-Kopplungen Masse erhalten. Die Quantenanregung des Higgs-Feldes – das Higgs-Boson – wurde 2012 am LHC des CERN bei einer Masse von ~125 GeV/c² entdeckt.
Quantenchromodynamik
QCD ist die Eichtheorie der starken Kraft, basierend auf der SU(3)-Farbsymmetrie. Quarks tragen Farbladung (rot, grün, blau); Gluonen tragen auch Farbe, weshalb die starke Kraft selbstinteragierend ist. Einschluss bedeutet, dass freie Quarks niemals beobachtet werden – sie binden sich immer an farbneutrale Hadronen. Asymptotische Freiheit bedeutet, dass Quarks bei sehr hohen Energien schwach wechselwirken.
Jenseits des Standardmodells
Trotz seines Erfolgs weist das Standardmodell bekannte Lücken auf: Es berücksichtigt die Schwerkraft nicht, erklärt weder dunkle Materie noch dunkle Energie, berücksichtigt nicht die Materie-Antimaterie-Asymmetrie und verfügt über zu viele freie Parameter. Zu den aktiven Forschungsgebieten gehören Supersymmetrie, zusätzliche Dimensionen, große einheitliche Theorien und Kandidaten für dunkle Materie.
Lernpfade
Grundlagen der Quantenfeldtheorie
Feynman-Diagramme, Erhaltungssätze, Symmetriegruppen, CP-Verletzung und der Higgs-Mechanismus.
Jenseits des Standardmodells
Supersymmetrie, große Vereinigung, Neutrinomassen, Baryogenese und die offenen Probleme der Teilchenphysik.
Schlüsselartikel
Quarks und Leptonen
Die Grundbausteine der Materie und ihre Quantenzahlen.
Lesen Sie →QCD und Einschluss
Warum man freie Quarks nie sieht und wie Gluonen den Kern zusammenhalten.
Lesen Sie →Leptogenese
Wie eine CP-Verletzung im frühen Universum die Materie-Antimaterie-Asymmetrie erklären könnte.
Lesen Sie →Die CP-Verstoßgeschichte
Warum sich Materie und Antimaterie etwas unterschiedlich verhalten – und warum das wichtig ist.
Lesen Sie →Pentaquarks am LHCb
Die Entdeckung von Fünf-Quark-Zuständen am LHC und was sie über die QCD verraten.
Lesen Sie →Die Muon-g-2-Anomalie
Eine anhaltende Diskrepanz zwischen Theorie und Experiment, die auf neue Physik hinweist.
Lesen Sie →Häufig gestellte Fragen
Was ist das Standardmodell?
Die Quantenfeldtheorie der drei Grundkräfte (EM, schwach, stark) und aller bekannten Elementarteilchen: sechs Quarks, sechs Leptonen, Eichbosonen und die Higgs.
Was hält den Kern zusammen?
Gluonen binden Quarks in Protonen und Neutronen (starke Kraft). Eine verbleibende starke Kraft (Pionenaustausch) hält den Kern zusammen.
Was ist das Higgs-Boson?
Die Quantenanregung des Higgs-Feldes, die den Elementarteilchen ihre Masse verleiht. 2012 am LHC bei ~125 GeV/c² entdeckt.
Was ist Antimaterie?
Jedes Teilchen hat ein Antiteilchen mit entgegengesetzten Quantenzahlen. Bei der Teilchen-Antiteilchen-Vernichtung entstehen Photonen. Die Materie-Antimaterie-Asymmetrie ist ein großes offenes Problem.