Das heutige physikalische Modell
Das Standardmodell der Physik
Das Standardmodell der heutigen Physik besteht aus zwei Hauptteilen: der allgemeinen Relativitätstheorie[1][2][3][4] und dem Standardmodell der Teilchenphysik[5][6][7][8][9]:
Die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Gravitation als Krümmung der Raumzeit. Sie ist die entscheidende Theorie für die Astronomie, da bei makroskopischen Bewegungen praktisch nur die Gravitation eine Rolle spielt.
Umgekehrt ist es beim Standardmodell der Teilchenphysik: es beschreibt und klassifiziert die kleinsten Materieteilchen mit ihren Wechselwirkungen. Leider ist das Standardmodell der Teilchenphysik bisher nicht mit der allgemeinen Relativitätstheorie kompatibel. Das ist zwar unbefriedigend, aber bei der Beschreibung vieler Effekte nicht entscheidend, da die Gravitation bei den betrachteten kleinen Teilchen fast keine Rolle spielt und deutlich von den anderen Wechselwirkungen überlagert wird.
Wir schauen das Standardmodell der Teilchenphysik noch etwas genauer an:
Die Teilchen im Standardmodell der Teilchenphysik
Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt alle Effekte mit punktförmigen Teilchen, also auch Wechselwirkungen (WW): Wenn zwei Materieteilchen aufeinander Kräfte ausüben («wechselwirken»), geschieht dies im Modell durch Austausch eines Wechselwirkungsteilchens.
Die Unterscheidung von Materie- und Wechselwirkungsteilchen ist bereits eine wichtige Klassifizierung der Teilchen:
Die Grafik der Elementarteilchen wurde übernommen und verändert aus [11]
Einige Aspekte des Standardmodells der Teilchenphysik
Stabile Teilchen
Für die Natur sind zuerst die stabilen Teilchen wichtig:
Das up (u) und das down (d) Quark, welche in verschiedenen Kombinationen die Protonen (uud) und Neutronen (udd) in Atomkernen bilden.
Dann die Elektronen, welche die Atomhülle um die Atomkerne herum bilden.
Schlussendlich die Photonen, welche wir als Licht oder elektromagnetische Strahlung wahrnehmen (Radio, Handy, Mikrowelle etc.).
Drei Generationen
Alle Materieteilchen kommen in drei Generationen vor. Damit ist gemeint, dass es für jedes langlebige Teilchen der ersten Generation zwei weitere Teilchen gibt, die zwar teilweise mehr als tausend mal schwerer sind als das Ursprungsteilchen, und die nach kurzer Zeit wieder zerfallen, aber ansonsten dieselben Eigenschaften besitzen: Die Ladung ist gleich, der Spin ist gleich, die Wechselwirkungseigenschaften sind gleich, etc.
Die schweren (energiereichen) Teilchen aus höheren Generationen zerfallen in die leichteren Teilchen der tieferen Generationen, jedoch nur unter Einwirkung der schwachen Wechselwirkung. Ein Zerfall durch reines Abstrahlen von Energie durch Photonen ist nicht möglich.
Zwei grosse Fragen der heutigen Physik sind, warum die Teilchen der verschiedenen Generationen so ähnlich sind, und warum es gerade drei Generationen von Teilchen gibt.
Die Wechselwirkungen
Die Gravitation wird im Standardmodell der Teilchenphysik nicht berücksichtigt, jedoch gibt es sehr wohl Massen. Diese werden im Prinzip als Ruheenergie der einzelnen Teilchen eingebracht. Eine grosse Frage liegt darin, ob Neutrinos Masse besitzen oder nicht.
Die elektromagnetische Wechselwirkung ist neben der Gravitation die zweite Kraft mit unbegrenzter Reichweite. Sie spielt jedoch im Makrokosmos eine untergeordnete Rolle, weil es positive und negative Ladungen gibt, die sich auf makroskopischen Skalen gegenseitig neutralisieren.
Die elektromagnetische Wechselwirkung wird durch das Standardmodell der Teilchenphysik komplett beschrieben. Sie wird durch das Photon übertragen. Die geladenen Teilchen unterliegen der elektromagnetischen Wechselwirkung (alle Elementarteilchen ausser den Neutrinos). Äusserst interessant ist die Frage, warum die Elementarladung eine so wichtige Rolle spielt, und bei allen – doch recht verschiedenartigen – Teilchen in irgendeiner Form mit demselben Betrag vorkommt.
Die schwache Wechselwirkung ist die einzige Wechselwirkung, die Teilchen einer Generation in Teilchen einer anderen Generation umwandelt, und damit Zerfälle der schweren Teilchen der zweiten und dritten Generation bewirkt. Sie wird übertragen durch die W+, W- und Z-Bosonen. Diese besitzen eine recht grosse Masse, was dazu führt, dass die Kraft nur eine kurze Reichweite hat (deshalb «schwache» WW).
Die starke Wechselwirkung wirkt nur auf Quarks, nicht aber auf Leptonen. Sie «klebt» im Prinzip mehrere Teilchen zusammen, die sich dann in einem gewissen Radius fast frei umeinander bewegen können, aber nicht weiter voneinander loskommen. Entsprechend heissen die Übertragungsteilchen «Gluonen». Der Klebe-Effekt ist sehr stark und wird mit zunehmender Distanz immer stärker, deshalb der Name «starke» Wechselwirkung. Zusammengesetzte Teilchen, welche der starken Wechselwirkung unterliegen, werden auch Hadronen genannt.
Neutrinos und deren Oszillationen
Neutrinos sind ungeladene Teilchen. Da sie zusätzlich noch Leptonen sind, wechselwirken sie nur sehr schwach, da die elektromagnetische und die starke Wechselwirkung wegfallen. Im Standardmodell der Teilchenphysik tragen sie nicht einmal Masse und würden deshalb nur der schwachen Wechselwirkung unterliegen.
Es wird jedoch beobachtet, dass sich Neutrinos, die von der Sonne ausgestrahlt werden, ineinander umwandeln. Das heisst, ein ursprüngliches Elektron-Neutrino der ersten Generation wechselt unterwegs in ein Myon- oder ein Tauon-Neutrino und wieder zurück. Es oszilliert zwischen den Generationen.
Dieser Effekt ist im Standardmodell nur für Teilchen möglich, die eine Masse besitzen. Die Oszillationen, die dazugehörigen Modelle und die Grösse und Art der Neutrinomassen waren und sind Gegenstand intensiver Forschungen.
Literatur
- ↑ Allgemeine Relativitätstheorie, E. Schachinger, Universität Graz, 8. Oktober 2004 [1]
- ↑ Allgemeine Relativitätstheorie, Jörg Frauendiener, Universität Tübingen - Institut für Theoretische Astrophysik, 21. Juli 2005 [2]
- ↑ Elektrodynamik & Relativitätstheorie, Peter Eckelt, Universität Münster - Institut für theoretische Physik, SS 2003 [3]
- ↑ The Meaning of Einstein's Equation, John C. Baez & Emory F. Bunn, American Journal of Physics - AMER J PHYS. 73, 2005, DOI 10.1119/1.1852541 [4]
- ↑ Das Standardmodell in der Elementarteilchenphysik, Thomas A. Terényi, Akademisches Gymnasium Wien I [5]
- ↑ Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik, Robert Harlander, CERN, TH Division, Mai 2000 [6]
- ↑ Das Standardmodell der Teilchenphysik, André S. Indenhuck, RWTH Aachen University, Februar 2004 [7]
- ↑ The Standard Model Lagrangian, Diego Bettoni, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Academic Year 2011-12 [8]
- ↑ The Standard Model, Thomas Teubner, University of Liverpool, September 2008 [9]
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