Wackelt das Standardmodell? Teil 2

2) Was ist das Standardmodell?


Ich will versuchen, die Grundideen des Standardmodells SD zu charakterisieren:


- Die Welt ist aus Bausteinen zusammengesetzt, die nur durch die Quantenmechanik beschrieben werden können. Es sind Quanten, die sich durch einen ganz bestimmten Spin charakterisieren lassen. Die Projektion ihres Spins auf eine vorgegebene Richtung kann nur 1/2*h oder 3/2*h usw. sein. Dabei ist h die Plancksche Konstante.

Diese Bausteine nennt man Fermionen.

Die Beschreibung des Spins erinnert an die Beschreibung des Drehimpulses eines rotierenden Körpers.

Deswegen veranschaulicht man manchmal den Spin mit einem Drehimpuls, aber Spin ist eine eigene, eher nicht veranschaulichbare Eigenschaft der Quanten.

Es gibt drei Gruppen von Fermionen, die sich aber durch Umwandlung in die energieärmste Gruppe reduzieren. Zu dieser sog. 1.Generation gehören die beiden Quarks u und d, die Protonen und Neutronen bilden und das Elektron mit seinem Neutrino.

Das sind die Bausteine der Welt.


Die Objekte des Standardmodells (KIT Education)


- Die Fermionen können miteinander wechselwirken. Die Gravitation wird in der Elementarteilchenphysik EP vernachlässigt, da die Massen viel zu klein sind.

Es gibt drei Arten von Wechselwirkungen: elektromagnetische, schwache und starke Kraft.

Jede Wechselwirkung geschieht durch den Austausch von Bosonen. Das sind Quanten, deren Spin die Werte 0 oder h oder 2*h etc. annehmen kann. Man kann sie auch dadurch charakterisieren, dass man sagt, sie werden durch Wellenfunktionen beschrieben, die ihr Vorzeichen beibehalten, wenn man Bosonen gegeneinander austauscht.

Der Bereich der Wechselwirkungsbosonen wird Feld genannt.

Das elektromagnetische Feld besteht aus Photonen, das starke Feld aus Gluonen und das schwache Feld aus Weakonen.

Damit sind auch die Felder gequantelt, d.h. sie können nicht jede beliebige Stärke annehmen, weil ihre Stärke immer nur um die Wirkung eines Quants zu- oder abnehmen kann.

Man spricht von der Quantenfeldtheorie als theoretischer Grundlage des SM der ETP.


Die Bosonen, die das Feld bilden, existieren immer nur sehr kurzzeitig unter Verletzung des Energieerhaltungssatzes. Man nennt sie deshalb auch virtuell.

Je höher die Energie eines virtuellen Bosons ist, desto schneller muss es wieder verschwinden.

Wer das noch genauer wissen möchte: Hier im Blog gibt es einen Post "Das Vakuum ist nicht leer". Der passt hervorragend zum Thema.


- Das Standardmodell umfasst 12 Fermionen und 12 Bosonen (und jeweils ihre Anti-Teilchen). Damit kann man alle beobachtbaren Objekte und Strukturen erklären.


- Es gibt aber eine Ausnahme: Im SM gibt es keine Möglichkeit die Massen der Fermionen und Bosonen fest zu legen. Die Ursache für Massen führt man auf das Higgs-Boson zurück, dessen Wechselwirkung die anderen Objekte träger, d.h. massebehaftet, macht.


50 Jahre lang gelingt es mit diesen Ideen das Verhalten der sog ET zu beschreiben. Große Erfolge gab es 1995 mit der Entdeckung des erwarteten t Quarks, das immerhin 180 Protonenmassen hat und so kurzlebig ist, dass es keinerlei Verbindungen eingehen kann.

Das Higgs-Boson wurde schließlich nach jahrzehntelanger Suche 2012 gefunden.

Damit schien das Standardmodell abgeschlossen.

Aber eigentlich war der Beschleuniger LHC am CERN nicht gebaut worden, um das SM zu stärken, sondern um Abweichungen zu finden.


Etwas Sorge bereitete die beobachtete Masse der Neutrinos. Das SM fordert die Ruhemasse 0. Neutrinos haben eine, wenn auch sehr kleine, eigene Ruhemasse größer als 0.

Mit einigen Tricks konnte man aber damit gut im Rahmen des Modells umgehen.


Damit schien alles in trockenen Tüchern...eigentlich langweilig. Viel spannender wäre es, wenn es Hinweise gäbe, dass es noch Objekte gibt, die vom Standardmodell nicht erfasst werden.


Und da sind wir bei den neuesten Veröffentlichungen.

Zum ersten Mal gibt es recht signifikante Hinweise auf bisher unbekannte, im SM nicht vorkommende, Objekte im Vakuum.

Aber um diese Hinweise verstehen zu können, müssen wir erst lernen, wie denn überhaupt das Magnetfeld eines Stabmagneten entsteht.

In der Schule drückt man sich immer davor...man redet von Elementarmagneten, die sich ordnen.

Manchmal fragen Lernende dann, wo diese Elementarmagnete denn herkommen...

Und häufig gibt es die Antwort: Die sind im Inneren der Atome.

Nicht total daneben, aber voll am Wesentlichen vorbei.


Darum geht es im nächsten Post.

Um die aktuellste Forschung zu verstehen, müssen wir begreifen, was es mit den Elementarmagneten auf sich hat, die man teilweise schon in der Grundschule kennenlernt.


wird fortgesetzt...