Das Standardmodell der Teilchenphysik – Einführung by @understando

Grundlegende Prinzipien im Standardmodell der Teilchenphysik

Das primäre Ziel der Physik ist die Aufdeckung und Erforschung der fundamentalen Naturgesetze, welche die Struktur und Entwicklung unseres Kosmos beherrschen. Diese grundlegend formulierten Prinzipien müssen in strenger mathematischer Sprache verfasst werden.[1] Heutzutage liefern uns spektakuläre Experimente - u.a. am LHC (Entdeckung des Higgs) - ein immer genaueres Bild über die Bausteine unserer Natur.

Von universeller Gültigkeit und bestechend einfach ist das von Demokrit in seiner Essenz eingeführte Bild im vierten/fünften Jahrhundert v.Chr. über die innerste Struktur der Materie. Dieses besagt, dass Materie gekörnt ist. In moderner Sprache ist diese grundlegende Eigenschaft der Materie verfasst als Reduktionsprinzip:

Die in der Natur auftretenden Phänomene werden im Mikrokosmos auf wenige Grundbausteine der Materie zurückgeführt, zwischen denen eine kleine Zahl von fundamentalen Kräften wirkt.[2]

Dieser Forschungsgegenstand der Teilchenphysik, operativ auch als Hochenergiephysik charakterisiert, untersucht die materiellen Strukturen und die Kräfte im Mikrokosmos als Forschungsgegenstand. Das entstandene Bild ist verblüffend einfach, klar und bewahrheitet sich verblüffend genau. Richard Feynman symbolisierte die Stärke des Standard-Modells einst folgendermaßen: „The standard-model is working too well“. Dabei ist die Entwicklung des Modells keineswegs abgeschlossen, sodass wir auf neue und atemberaubende Erkenntnisse gefasst sein müssen.

„Das erschlossene Bild weist dezidiert über sich selbst hinaus zu einem umfassenden Verständnis der physikalischen Struktur unseres Universums seit der Zeit seiner Entstehung im Urknall vor mehr als zehn Milliarden Jahren. In diesem Bereich überlappt die Teilchenphysik des Mikrokosmos mit der Kosmologie, der Lehre von Form und Entwicklung des Universums. Teilchenphysik und Kosmologie sind damit die entscheidenden Wurzeln der Naturwissenschaften, und sie gehören damit zu den höchsten Kulturgütern, die von der Menschheit geschaffen wurden."

 

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Im Standardmodell der Teilchenphysik ist dem Reduktionsprinzip das Syntheseprinzip nachgeordnet:

Die Bausteine im Mikrokosmos fügen sich zu komplexen Systemen zusammen und bilden qualitativ neue Strukturen. Zusammengefasst kann man sagen, dass das Ganze mehr ist als die Summe seiner Teile. Veranschaulicht kann dies durch folgendes Beispiel werden: Wassermoleküle, die aus zwei Wasserstoff- und einem Sauerstoffatomen bestehen, ordnen sich bei tiefen Temperaturen als kristallines Eis, während sie bei hohen Temperaturen gasförmigen Wasserdampf bilden, zwei Aggregatzustände, deren Eigenschaften unterschiedlicher nicht sein konnen, sowohl beide aus denselben Atomen bestehen. Eine nahezu unendliche Mannigfaltigkeit von stofflichen Erscheinungsformen kann in unserer Welt durch verschiedenartige Zusammensetzung aus den Grundbausteinen erzeugt werden."[3] Die Bildung komplexer System ist die Grundlage unserer Existenz und spielt eine wichtige Rolle in der Materialphysik, Chemie, Biologie und Medizin. Die Entwicklung der menschlichen Zivilisation ist direkt abhängig vom Verständnis dieser Materie.

Bis zu den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts galt es als „gesichertes Wissen“ im Standardmodell der Teilchenphysik, dass Elektronen, Protonen, und Neutronen unteilbare Grundbausteine der Materie sind.[4]
Die Entwicklung der Quantentheorie trug wesentlich zu einer weiterführenden Beschreibung des Atomaufbaus bei.[5] Der heutige Wissensstand besagt, dass Elektronen tatsächlich elementar sind, d.h. strukturlos.[6]
Jedoch konnten Forscher des Helmholtz-Zentrums in Berlin nachweisen, dass sich Elektronen in bestimmten Festkörpern in sog. Quasiteilchen aufspalten, welche dann die Träger von Teileigenschaften des Elektrons sind.[7] Plötzlich scheinen sich Partikel nur mit Spin und solche nur mit dem Orbitalmoment des Elektrons unabhängig voneinander und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu bewegen. Die Physiker tauften die "Sub-Elektronen" auf Spinon und Orbiton.[8]
Im aktuellen Standardmodell der Teilchenphysik bestehen Protonen und Neutronen - experimentell bestätigt - aus Grundbausteinen, den „Quarks“. Zudem gibt es noch zwei weitere „Teilchenfamilien“. Das Standardmodell der Teilchenphysik basiert auf 3 Grundbausteinen: Teilchen, Kräften und Massen.[9] Für eine der wichtigsten Entdeckung am LHC in den letzten Jahren, die unser Bild des Standardmodells weiter verfeinert hat, kann ich jedem Harald Leschs anschauliches Buch: Die Entdeckung des Higgs-Teilchens: Oder wie das Universum seine Masse bekam" empfehlen.

 
und weiter geht es im nächsten Teil..

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Quellen:

[1]P.M. Zerwas: Die Bausteine der Materie im Mikrokosmos, S.1

[2] Vgl. ebd.

[3] P.M. Zerwas: Die Bausteine der Materie im Mikrokosmos, S.1.

[4] Uni Magdeburg, Das Standard-Modell der Teilchenphysik, Internetquelle, S.1.

[5] Wichtige Persönlichkeiten der Quantentheorie: Max Planck entwickelte 1900 das Plancksche Strahlungsgesetz. Weitere wichtige Persönlichkeiten: Werner Heisenberg, Albert Einstein, Erwin Schrödinger, Louis De Broglie, Max Born, Pascual Jordan.
Siehe: https://de.wikipedia.org/wiki/Quantenphysik#cite_note-Planck1900-1

[6]Uni Magdeburg, Das Standard-Modell der Teilchenphysik, Internetquelle, S.1.

[7] Die Welt: Physiker spalten erstmals das Unspaltbare, Internetquelle, o.S.

[8]Vgl. ebd. ; Wikipedia/Spinon

[9] Uni Magdeburg, Das Standard-Modell der Teilchenphysik, Internetquelle, S.1.