Teilchenphysik: Das Standardmodell verstehen

Ein Atom besitzt Elektronen und einen Kern aus Protonen und Neutronen. Protonen und Neutronen sind aus Quarks zusammengesetzte Hadronen. Elektronen und Quarks haben nach heutigem Messstand keine nachgewiesene innere Struktur. Kugelbilder zeigen Modelle, keine gemessenen Formen.

Die elementaren Materieteilchen heißen Fermionen. Sechs Quarks und sechs Leptonen bilden drei Generationen. Teilchen entsprechender Plätze haben ähnliche Ladungseigenschaften, aber verschiedene Massen. Gewöhnliche sichtbare Materie beruht vor allem auf Up- und Down-Quarks sowie Elektronen. Schwerere geladene Leptonen und Quarks sind instabil; Neutrinos können zwischen Generationen oszillieren.

Zu Materieteilchen gehören Antiteilchen gleicher Masse mit entgegengesetzten Ladungen. Das Positron ist das Antiteilchen des Elektrons.

Das Standardmodell beschreibt elektromagnetische, starke und schwache Wechselwirkung. Teilchen können dabei Kräfte übertragen, entstehen, verschwinden oder sich umwandeln. Das Photon und die Gluonen sind masselos; schwere W- und Z-Bosonen stehen für die kurze Reichweite der schwachen Wechselwirkung.

Gluonen binden Quarks durch die starke Wechselwirkung. Beim Versuch, Quarks weit zu trennen, kann die Feldenergie neue Quark-Antiquark-Paare erzeugen. Isolierte Quarks beobachtet man deshalb nicht: Confinement.

Gravitation gehört nicht zum Standardmodell; ein hypothetisches Graviton ist nicht nachgewiesen. Das Bild vom Botenteilchen als zugeworfenem Ball erklärt einen Impulsübertrag anschaulich, ersetzt aber keine Quantenbeschreibung.

Im Schulmodell hat das Proton die Valenzquarks uud: zwei Up-Quarks mit je +\frac{2}{3} Elementarladungen und ein Down-Quark mit -\frac{1}{3}. Die Ladungszahl ist:

+\frac{2}{3}+\frac{2}{3}-\frac{1}{3}=+1

Beim Neutron ist die Valenzfolge udd und die Ladungszahl 0. Die Kurzschreibweisen erfassen nicht alle Quark-Antiquark-Paare und Gluonen im Hadron. Die Energie des starken Feldes trägt wesentlich zur Protonenmasse bei.

Für eine erlaubte Teilchenreaktion müssen elektrische Ladung, Energie und Impuls erhalten bleiben; je nach Wechselwirkung gelten weitere Regeln. Eine passende Ladungsbilanz allein ist deshalb kein Nachweis, dass ein Prozess möglich ist.

Beim \beta^--Zerfall wird in einem Neutron ein Down-Quark zu einem Up-Quark: d\rightarrow u+W^-. Die Ladungszahlen stimmen: -\frac{1}{3}=+\frac{2}{3}-1. Das virtuelle W^- zerfällt zu Elektron und Antineutrino: W^-\rightarrow e^-+\bar{\nu}_e. Auch hier stimmt die Ladung: -1=-1+0. Insgesamt gilt n\rightarrow p+e^-+\bar{\nu}_e.

Das 2012 am LHC nachgewiesene Higgs-Boson ist eine Anregung des Higgs-Feldes. Die Kopplung daran trägt zur Masse vieler elementarer Teilchen und der W- und Z-Bosonen bei. Der Großteil der Protonen- und Neutronenmasse stammt dagegen aus der starken Wechselwirkung. Dunkle Materie, Materieüberschuss und Quantengravitation bleiben offene Fragen des Standardmodells.