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Teilchenphysik
Die Teilchenphysik ist eine Disziplin der Physik, die sich mit der Erforschung der subatomaren Teilchen, insbesondere der Elementarteilchen, befasst.
Inhalt6 Abschnitte
Grundidee und Abgrenzung
Die Teilchenphysik ist eine Disziplin der Physik, die subatomare Teilchen untersucht, besonders Elementarteilchen. Elementarteilchen sind Teilchen, die im Standardmodell als ohne innere Struktur beschrieben werden. Auch Hadronen, also zusammengesetzte Teilchen aus Quarks, werden theoretisch und experimentell erforscht.
Die Teilchenphysik überschneidet sich teilweise mit anderen Teilgebieten, ist aber von ihnen zu unterscheiden: Die Kernphysik untersucht Nukleonen und die Struktur des Atomkerns, die Atomphysik untersucht Atome oder Moleküle. Weil Teilchenphysik häufig mit Teilchenstrahlen sehr hoher Energie arbeitet, wird sie oft auch Hochenergiephysik genannt. Diese Bezeichnung kann aber auch schwerionenphysikalische Experimente bei hohen Energien meinen.
Methoden und Erkenntnisweise
Moderne Teilchenphysik überprüft physikalische Modelle vor allem mit Colliding-Beam-Experimenten an Teilchenbeschleunigern. Dabei werden Teilchen aufeinander geschossen, zum Beispiel Elektronen auf Positronen. Aus den entstehenden Reaktionsprodukten, ihrer Verteilung in Teilchen- und Strahlungsdetektoren sowie aus der Energie- und Impulsbilanz gewinnt man Informationen über Eigenschaften bekannter Teilchen oder über vermutete neue Teilchenarten.
Als immer mehr Teilchen bekannt wurden, begann man, sie nach ihren Eigenschaften zu ordnen und Vorhersagen über noch nicht beobachtete Teilchen zu machen. Der gegenwärtige Stand der Teilchenphysik und viele ihrer Vorhersagen sind im Standardmodell zusammengefasst.
Standardmodell
Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik fasst das heutige Wissen über Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen zusammen. Es beschreibt die starke, die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung konsistent als Quantenfeldtheorien. Eine Wechselwirkung ist eine grundlegende Kraftwirkung zwischen Teilchen; eine Quantenfeldtheorie beschreibt Teilchen und Kräfte mit Feldern und Quanten.
Im Standardmodell gibt es zwölf Teilchenarten, unterteilt in Leptonen und Quarks. Von jeder Quarkart gibt es drei Teilchen, und zu jedem Teilchen existiert ein Antiteilchen. Die Kräfte zwischen diesen Teilchen werden durch den Austausch von Eichbosonen vermittelt. Für die elektromagnetische Wechselwirkung ist dies das masselose Photon. Für die schwache Wechselwirkung sind es die zwei massiven W-Bosonen und das ebenfalls massive Z-Boson. Die starke Wechselwirkung wird durch acht masselose Gluonen vermittelt. Außerdem gibt es die Annahme, dass ein Graviton existieren könnte, das die Gravitation vermittelt.
Teilchenbild im Standardmodell
Ein wichtiger Unterschied zur Alltagsvorstellung und zur klassischen Physik ist der holistische Charakter des Standardmodells. In der klassischen Vorstellung bleiben Bausteine in einem zusammengesetzten Gegenstand erhalten und können beim Zerlegen wiedergewonnen werden, ähnlich wie bei einem Lego-Modell.
Im Standardmodell können zwei zusammenstoßende Teilchen, zum Beispiel ein Elektron und ein Positron, zu einem einzigen Teilchen werden, zum Beispiel einem Photon. Dieses neue Teilchen gilt aber nicht als aus den ursprünglichen Teilchen zusammengesetzt, sondern wieder als unteilbares Elementarteilchen ohne innere Struktur. Das passt zur Beobachtung, dass ein solches Teilchen in Teilchen anderer Arten zerfallen kann, zum Beispiel in Myonen, also nicht unbedingt in die Teilchen, aus denen es entstanden ist.
Higgs-Boson und Grenzen
Im Juli 2012 wurde am CERN die Entdeckung des massiven Higgs-Bosons verkündet. Es wurde damit als neues Elementarteilchen in das Standardmodell eingeführt. Der Higgs-Mechanismus beschreibt, wie die Masse der Materie und der schwachen Eichbosonen durch die Kopplung an das Higgs-Feld zustande kommt.
Aus theoretischen Überlegungen steht fest, dass das Standardmodell oberhalb bestimmter Teilchenenergien keine korrekte Beschreibung der Welt liefern kann. Deshalb wurden Erweiterungen des Standardmodells entwickelt, auch ohne empirische Daten, die auf ein Versagen des Standardmodells hinweisen. Solche Ansätze werden „Beyond the Standard Model“ genannt; im Artikel werden Supersymmetrie und Stringtheorie genannt.
Experimente und Labore
In der experimentellen Teilchenphysik werden Streuexperimente durchgeführt, meist als Colliding-Beam-Experimente. Große internationale Labore sind CERN an der französisch-schweizerischen Grenze nahe Genf mit dem früheren LEP-Ring und dem LHC, DESY in Hamburg mit dem früheren HERA-Beschleuniger, SLAC nahe Palo Alto mit PEP-II, Fermilab nahe Chicago mit dem früheren Tevatron, Brookhaven National Laboratory auf Long Island mit dem RHIC und KEK in Tsukuba mit KEKB beziehungsweise SuperKEKB.
Die Beschleuniger verwenden unterschiedliche Teilchen und Energiebereiche, je nach physikalischer Fragestellung. Beispiele sind Elektron-Positron-Kollisionen, Elektron- oder Positron-Proton-Kollisionen, Proton-Antiproton-Kollisionen sowie Kollisionen von Schwerionen wie Gold oder von Protonen. HERA wurde am 30. Juni 2007 außer Betrieb genommen, das Tevatron am 30. September 2011.
Vor der Entwicklung von Beschleunigern im GeV-Energiebereich war kosmische Strahlung, damals meist Höhenstrahlung genannt, die einzige Quelle hochenergetischer Teilchen. Viele Teilchen, zum Beispiel Myon, Pion und Kaon, wurden zuerst in der kosmischen Strahlung entdeckt. Dafür nutzte man Messungen auf Berggipfeln oder photoempfindliche Platten, die von Freiballons getragen wurden.
