Standardmodell

Grundidee und Geltungsbereich

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik (SM) fasst die wesentlichen Erkenntnisse der Teilchenphysik zusammen. Es beschreibt alle bekannten Elementarteilchen sowie die starke, schwache und elektromagnetische Wechselwirkung. Die starke Wechselwirkung wird durch die Quantenchromodynamik beschrieben; schwache und elektromagnetische Wechselwirkung sind in der elektroschwachen Wechselwirkung vereinheitlicht. Die Gravitation wird nicht berücksichtigt.

Theoretisch ist das Standardmodell eine Quantenfeldtheorie: Seine grundlegenden Objekte sind Felder, deren diskrete Veränderungen als beobachtbare Teilchen erscheinen. Es ist mit spezieller Relativitätstheorie und Quantenmechanik vereinbar. Viele Vorhersagen wurden experimentell bestätigt; zuvor unbekannte vorhergesagte Teilchen wurden nachgewiesen. Ein Beispiel für die hohe Genauigkeit ist der g-Faktor des Elektrons.

Das Modell dient außerdem als Grundlage für effektive Theorien, die Phänomene etwa in Sternen, Flüssigkeiten, Festkörpern, Atomen und Atomkernen praktisch beschreiben.

Eichsymmetrien und Grundkräfte

Das Standardmodell ist eine Eichtheorie. Dabei werden Wechselwirkungen der Materiefelder durch mathematische Eichsymmetrien beschrieben. Die Eichgruppen sind U(1)Y, SU(2)L und SU(3)c. Zu ihnen gehören als Ladungen die schwache Hyperladung, der schwache Isospin und die Farbladung.

Der Higgs-Mechanismus bricht die elektroschwache Symmetrie. Aus U(1)Y und SU(2)L ergeben sich das Photon, das Z-Boson und das W-Boson: Das masselose Photon vermittelt die elektromagnetische Wechselwirkung, die massiven Z- und W-Bosonen die schwache Wechselwirkung.

Die lokale Eichgruppe SU(3)c erfordert Gluon-Felder. Sie vermitteln die Farbwechselwirkung zwischen Quarks und untereinander. Diese ermöglicht auch den Austausch von gebundenen Quark-Antiquark-Zuständen, den Pionen, zwischen Nukleonen im Atomkern. Mit „starker Wechselwirkung“ kann entweder diese effektive, durch Pionaustausch beschreibbare Wechselwirkung zwischen Nukleonen oder die Farbwechselwirkung selbst gemeint sein.

Materieteilchen und Generationen

Als Materie werden konventionsgemäß die Fermionen des Standardmodells und die aus ihnen aufgebauten, nicht elementaren Teilchen bezeichnet. Fermionen mit Farbwechselwirkung heißen Quarks; die übrigen heißen Leptonen.

Quarks und Leptonen werden jeweils in drei Generationen mit je einem Teilchenpaar eingeteilt. Die Teilchen eines Paares unterscheiden sich in ihrem Verhalten gegenüber der Eichgruppe SU(2)L und damit besonders in ihrer elektrischen Ladung. Entsprechende Teilchen verschiedener Generationen besitzen nahezu dieselben Eigenschaften; ihr deutlichster Unterschied ist die mit der Generation zunehmende Masse.

Bosonen und Higgs-Boson

Die bosonischen Elementarteilchen unterscheiden sich durch ihren Spin: Photon, W, Z und Gluon sind Vektorbosonen mit Spinquantenzahl 1; das Higgs-Boson hat Spinquantenzahl 0. Vektorbosonen folgen mathematisch notwendig aus den Eichsymmetrien. Als Botenteilchen oder Austauschteilchen vermitteln sie Wechselwirkungen, können aber auch eigenständig auftreten. Das Photon ist beispielsweise ein Quant elektromagnetischer Wellen.

Gluonen sind Eichbosonen und stellen unmittelbar Freiheitsgrade der Eichgruppe SU(3) dar. W- und Z-Bosonen sowie Photonen stellen die Freiheitsgrade von SU(2)L × U(1) nicht unmittelbar dar, werden aber gelegentlich ebenfalls Eichbosonen genannt. In den nicht-abelschen Bereichen der Theorie wechselwirken geladene Eichbosonen miteinander. Nichtlineare Feldanregungen sind daher wichtig, etwa Sphaleronen für die Baryogenese und Instantonen in der Quantenchromodynamik. Das Confinement, also dass nur farbneutrale freie Hadronen vorkommen, ist theoretisch schwierig und wird unter anderem mit Gittereichtheorien untersucht.

Das Higgs-Boson ist keine direkte Folge einer Eichsymmetrie und vermittelt keine Wechselwirkung im Sinne des Standardmodells. Es wird benötigt, um die elektroschwache SU(2) × U(1)-Symmetrie zu brechen und W- und Z-Bosonen Masse zu verleihen. Am 4. Juli 2012 wurde am CERN ein am Large Hadron Collider nachgewiesenes Boson bekanntgegeben, das in allen damals untersuchten Eigenschaften mit dem Higgs-Boson übereinstimmte; weitere Messungen bestätigten dies.

Grenzen und Erweiterungsansätze

Das Standardmodell erklärt nahezu alle bisher beobachteten teilchenphysikalischen Beobachtungen, ist aber unvollständig. Es beschreibt die Gravitation nicht, erklärt weder Dunkle Materie noch Dunkle Energie und führt bei hohen Energien wie beim Urknall zu Widersprüchen mit der allgemeinen Relativitätstheorie. Mindestens 18 freie Parameter müssen durch Messungen festgelegt werden. Auch die bestätigte, von Null verschiedene Masse der Neutrinos geht über die Theorie des Standardmodells hinaus.

Offene Fragen betreffen unter anderem das Hierarchieproblem, die Vereinigung der drei Grundkräfte, unterschiedliche Kopplungsstärken, die Materie-Antimaterie-Asymmetrie, die drei Generationen mit je zwei Flavours, weitere mögliche Higgs-Bosonen und die Zusammensetzung Dunkler Materie. Die CP-Verletzung allein reicht nicht aus, die beobachtete Materie-Antimaterie-Asymmetrie zu erklären.

Erweiterungen umfassen Große vereinheitlichte Theorien (GUT), die die drei Wechselwirkungen vereinigen sollen, und häufig Supersymmetrie. Diese sagt zu jedem Standardmodellteilchen Partnerteilchen mit anderem Spin voraus; bisher wurde keines nachgewiesen. Ansätze der Quantengravitation sind beispielsweise Stringtheorien und Schleifenquantengravitation. Davon zu unterscheiden ist die Standard-Model Extension (SME), ein allgemeines Schema zur Prüfung möglicher Verletzungen grundlegender Symmetrien wie CPT und Lorentz-Invarianz.

2021 gab es Hinweise auf Abweichungen in Präzisionsexperimenten zum g-Faktor des Muons am Fermilab und zur Leptonenuniversalität in B-Meson-Zerfällen bei LHCb am CERN. 2025 schien eine verbesserte theoretische Berechnung beim Muon g-2 hingegen mit dem experimentell ermittelten Wert übereinzustimmen.