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Weltmodell : Die Zeit nach dem Higgs-Boson

Eines der mutmaßlichen Higgs-Bosonen im Atlas-Detektor. Es entstand am 18. Mai 2012 um 20.28 Uhr und zerfiel innerhalb eines Zehnmilliardstels einer Billionstelsekunde in zwei Paare von Elektronen (rot und blau) Bild: Cern/Atlas

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist mit dem letzten Puzzlestein wohl komplett. Doch viele Fragen sind offen. Die Theoretiker zumindest haben schon passende Antworten bereit.

          Sollte sich herausstellen, dass das jetzt am europäischen Forschungszentrum Cern bei Genf nachgewiesene Teilchen tatsächlich jener Puzzlestein ist, nach dem die Teilchenjäger seit fast vierzig Jahren mit ihren Beschleunigeranlagen fieberhaft suchen, wäre das zweifelsohne ein großer Triumph - und nichts geringeres als die Krönung des sogenannten Standardmodells der Elementarteilchenphysik. Das Theoriegebäude, das den Aufbau der Materie beschreibt und die zwischen den Materieteilchen wirkenden Kräfte, wäre damit vollständig. Man hätte nämlich nicht nur alle elementaren Bausteine zusammen, sondern alle Kraftteilchen - Bosonen genannt -, die das Standardmodell verlangt, einschließlich des Higgs-Bosons. Obendrein bestünde endlich Gewissheit darüber, wie die zwölf Elementarteilchen und die schweren Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung ihre Masse herbekommen - nämlich durch die Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld, das kurz nach dem Urknall, als sich das Universum abgekühlt hat, entstanden ist.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Doch es gibt Fragen, auf die das Standardmodell keine Antwort gibt und wahrscheinlich auch niemals antworten wird: Was ist die Natur der Dunklen Materie, die den Löwenanteil an Materie im Universum bildet? Auch die Frage, warum es Materie, aber keine Antimaterie gibt, obwohl beides - nach dem heutigen Verständnis - zu gleichen Teilen nach dem Urknall entstanden sein muss, kann das Standardmodell nur ansatzweise beantworten. Und schließlich lässt das Modell selbst, obwohl es zu den am besten überprüften Theorien der Physik zählt, viele Fragen über seine Struktur offen.

          Zwölf Massenteichen sollt ihr sein

          Das „Weltmodell“ der Teilchenphysik beschreibt zwölf Materieteilchen. Die sechs Leptonen und die sechs Quarks bezeichnet man aufgrund ihres halbzahligen Spins auch als Fermionen. Aber nur aus den vier leichtesten setzt sich die makroskopische Welt tatsächlich zusammen. Das Elektron, das Up- sowie das Down-Quark bilden die elementaren Bausteine der Atome. Das Elektron-Neutrino entsteht bei Kernreaktionen in großer Zahl. Mit Ausnahme der Gravitation, die wegen ihrer geringen Stärke in der Teilchenphysik keine Rolle spielt, fügen sich die elektromagnetische, die starke und die schwache Kraft in das theoretische Modell ein.

          und drei Naturkräfte

          Nach der heutigen Vorstellung werden die Kräfte zwischen den Quarks und Leptonen von Bosonen übertragen. Wie das Photon das Austauschteilchen der elektromagnetischen Kraft ist, so übermitteln das neutrale Z- und die beiden elektrisch geladenen W-Bosonen die schwache Kraft. Während das Z-Teilchen bei der Streuung von Neutrinos an Elektronen von Bedeutung ist, sind die W-Bosonen für den radioaktiven Beta-Zerfall verantwortlich.

          Lücken im System

          Nun hat das Standardmodell eine gravierende Schwachstelle: Es erlaubt nur masselose Elementarteilchen und Bosonen. Doch diese Lücke ist mit dem Nachweis des Higgs-Bosons, dem Austauschteilchen des Higgs-Feldes, gefüllt - vorausgesetzt, man hat es nun experimentell bei den Kollisionsexperimenten mit dem Large Hadron Collider (LHC) am Cern tatsächlich aufgespürt.

          Aber die wirklich großen Fragen sind noch immer offen. Warum existieren genau zwölf Materie-Bausteine, obwohl sich die Natur, die uns umgibt, auf nur vier beschränkt? Warum lassen sich die sechs Quarks und sechs Leptonen ihrer Masse entsprechend in drei Familien einordnen? Ebensowenig ist die Teilchenphysik in der Lage, die enorme Spannbreite der Teilchenmassen zu erklären, von den fast masselosen Neutrinos über die leichten Elektronen bis hin zum Top-Quark, das fast soviel Masse trägt wie ein Goldkern. Unklar ist außerdem, warum die Naturkräfte so unterschiedlich stark sind und warum sich die Gravitationkraft nicht mit Hilfe der Quantentheorie beschreiben lässt.

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