Standardmodell

Standardmodell vun der Deelerchersphysik.

De Standardmodell vun der elementarer Deelerchersphysik (SM) resüméiert déi weesentlech Erkenntnisser aus der Deelerchersphysik no dem aktuelle Kenntnisstand (Ufank vum 21. Joerhonnert) . E beschreift all bekannten Elementardeelercher an déi wichteg Wiesselwierkungen ënnert hinnen: déi staark Wiesselwierkung, déi schwaach Wiesselwierkung an déi elektromagnéitesch Wiesselwierkung. Nëmmen déi (am Verglach ganz schwaach) Gravitatioun gëtt net berécksiichtegt.

Vum theoreetesche Standpunkt hier ass de Standardmodell eng Quantefeldtheorie. D'fundamental Bestanddeeler dervu si Felder, déi nëmmen an diskreete Packunge kënne geännert ginn; déi diskreet Päck entspriechen an enger passender Duerstellung den observéierte Partikelen. De Standardmodell ass sou gebaut, datt d'Deelercher an d'Felder déi et beschreift d'Gesetzer vun der spezieller Relativitéitstheorie erfëllen. Gläichzäiteg enthält en d'Aussoe vun der Quantemechanik an der Quantechromodynamik .

Vill Prognosen, déi vum Standardmodell gemaach goufen, goufen mat Experimenter an der Deelerchersphysik bestätegt. Sou konnt zum Beispill d'Existenz vun elementaren Deelercher, déi duerch den theoreetesche Modell virausgesot goufen, bewise ginn.

Et gëtt Argumenter déi soen, datt de Standardmodell just een Aspekt vun enger nach méi breeder Theorie ass. Donkel Matière an donkel Energie ginn net am Standardmodell beschriwwen. Seng Aussoe féieren zu Widderspréch mat der allgemenger Relativitéitstheorie bei héijen Energien, wéi déi, déi beim Urknall opgetruede sinn. Zousätzlech mussen 18 Parameteren, deenen hir Wäerter net aus der Theorie ofgeleet kënne ginn, op Basis vun experimentelle Resultater bestëmmt ginn. Dat mécht de Modell zimmlech "flexibel" an e kann sech deemno, an engem gewësse Kader, den Observatiounen, déi tatsächlech gemaach gi sinn, upassen.

Geschicht

D'Iddi, datt all Matière aus elementaren Deelercher besteet, geet op d'mannst op dat 6. Joerhonnert v. C. zeréck. Am 19. Joerhonnert huet de John Dalton aus senger Aarbecht iwwer d'Stoichiometrie geschloss, datt all Element vun der Natur aus enger eenzeger Zort Deelercher besteet . D'Wuert Atom, nom griichesche Wuert ἄτομος, atomos ("ondeelbar"), huet zënterhier déi klengst Partikel vun engem chemeschen Element bezeechent. D'Physiker hunn allerdéngs séier entdeckt, datt d'Atomer net déi fundamentalst Deelercher sinn. Si sinn zesummegesat aus klengen Deelercher, den Elektronen, déi sech ëm den Atomkär befannen, de selwer aus Protonen an Neutronen zesummegesat ass. Ufanks vum 20. Joerhonnert goufen et grouss Fortschretter an der Nuklear- a Quantephysik mat der Entdeckung vun der Kärspaltung am Joer 1939 vum Lise Meitner (baséiert op Experimenter vum Otto Hahn) an der Kärfusioun am Joer 1932 vum Mark Oliphant. D'Entwécklung vun Deelerchesbeschleuniger nom Zweete Weltkrich huet et erméiglecht an den 1950er an 1960er Jore eng grouss Varietéit vun Deelercher z'entdecken. D'theoretesch Formuléierung vum Standardmodell ass wärend den 1970er Joren enstanen. D'Entdeckung vum Higgs Boson erlaabt de Konsens tëschent der Theorie an dem Experiment an d'Aktualiséierung am Joer 2014 vun der Tabell vun de Komponente vun der Matière déi 2005 bei Geleeënheet vum weltwäite Joer vun der Physik etabléiert gouf.

Elementardeelercher

Vecteur-Bosonen: Wiesselwierkungsdeelercher

An der Physik si Wiesselwierkungen d'Weeër wéi Deelercher aner Deelercher beaflossen. Op makroskopeschem Niveau erlaabt den Elektromagnetismus Deelercher ënnertenaner via elektresch a magnéitesch Felder z'interagéieren. D'Gravitatioun erlaabt et, datt Partikele mat Mass sech konform mat der Einstein-Theorie iwwert déi allgemeng Relativitéitstheorie géigesäiteg unzéien. Dem Standardmodell no enstinn déi Kräften duerch Matièresdeelercher, déi ënner sech aner Deelercher austauschen, allgemeng bezeechent als ''kraaftvermëttlent Deelercher'' oder ''Austauschdeelercher''. Wann en Deelchen dat Kraaft vermëttelt, ausgetauscht gëtt, ass den Effekt op makroskopeschem Niveau gläichwäerteg mat enger Kraaft déi zwee vun hinne beaflosst.

Am Standardmodell gëtt d'Interaktioun vun de Matièresfelder duerch abstrakt (mathematesch) Eichsymmetrie beschriwwen, wouduerch de Standardmodell eng Eichtheorie ass. D'Eichgruppe vun dem SM sinn $U(1)_{Y}$, $SU(2)_{L}$ an $SU(3)_{c}$ . Déi jeeweileg Charge vun dëse Symmetrië sinn déi (schwaach) Hyperluedung, de (schwaachen) Isospin an d'Faarfluedung. Déi dräi Wiesselwierkungen (elektromagnéitesch, schwaach a staark) déi zu den Interaktioune vun dem SM gehéieren entstinn aus dëse Gruppen.

D'Eichbosone vum Standardmodell hunn all e Spin (wéi och Matièredeelercher). De Wäert vum Spin ass 1, demno befollege se net de Pauli- Ausschléissungsprinzip, deen d'Fermionen aschränkt: Bosonen (z. B. Photonen) hunn also keng theoreetesch Limitt fir hir raimlech Dicht (Unzuel pro Volumen).

• Photone vermëttelen déi elektromagnéitesch Kraaft tëscht elektresch geluedenen Deelercher. De Photon huet Mass a gëtt gutt vun der Theorie vun der Quantenelektrodynamik beschriwwen.
• D' W⁺, W^-, an Z Bosone vermëttelen déi schwaach Wiesselwierkung tëscht Deelercher vu verschiddene Zorten (all Quarken a Leptonen). Se si massiv, woubäi den Z Boson méi eng héich Mass huet wéi d'W^± Bosonen. Déi schwaach Wiesselwierkung vun de W^± Bosone wierkt nëmmen op lénkshänneg Partikelen a rietshänneg Antipartikelen. D'W^± Bosone droen eng elektresch Ladung vu +1 an -1 a koppele mat der elektromagnéitescher Interaktioun. Den elektresch neutralen Z Boson interagéiert mat béide lénkshändegen Deelercher an Antipartikelen. Dës dräi Eichbosonen zesumme mat de Photone kënnen zesummen als kollektiv Vermëttlung vun der elektroschwacher Wiesselwierkung gruppéiert ginn.
• Déi aacht Gluonen vermëttelen déi staark Wiesselwierkung tëscht faarfgeluedenen Deelercher (de Quarken). Gluonen hu keng Mass. Déi aachtfach Villfalt vu Gluonen gëtt mat enger Kombinatioun vu Faarf- an Antifaarf-Luedungen (z. B. rout – antigréng) bezeechent. Well Gluonen eng effektiv Faarfluedung hunn, kënne se och ënnereneen interagéieren. Gluonen an hir Wiesselwierkunge gi mat der Theorie vun der Quantechromodynamik beschriwwen.

Fermionen: Matièredeelercher

Déi 12 Standardmodell-Fermionen an déi net-elementar Deelercher, déi aus hinnen zesummegesat sinn, sinn no Konventioun déi Deelercher, déi "Matière" genannt ginn. Fermionen hunn e Spin 1⁄2 an no dem Spin-Statistik-Theorème respektéieren si de Pauli Ausschléissungssprinzip. All Fermion huet en entspriechenden Antipartikel. Fermionen, déi der Faarfwiesselwierkung ënnerleien, gi "Quark" genannt. Quarken droen och elektresch Luedung an e schwaachen Isospin. Déi aner Fermionen si "Leptonen" (liicht Deelercher). Zu hinne gehéieren déi dräi Neutrinoen, déi och keng elektresch Luedung hunn, sou datt si nëmme vun der schwaacher Wiesselwierkung beaflosst ginn. Elektron, Muon an Tau kënne wéinst hirer elektrescher Luedung och elektromagnéitesch wiesselwierken.

Aus praktesche Grënn si souwuel d'Leptone wéi d'Quarken an dräi "Generatiounen" opgedeelt, all mat jee enger Koppel vun Deelercher. D'Deelercher vun enger Koppel ënnerscheede sech an hirem Behuele mat Bezuch op d' $SU(2)_{L}$ -Grupp an domat an hirer elektresch schwaacher Interaktioun - besonnesch ervirzehiewe sinn hir ënnerschiddlech elektresch Luedungen. Gläichwäerteg Deelercher vu verschiddene Generatiounen hu bal identesch Eegenschaften, den däitlechsten Ënnerscheed ass d'Mass déi mat der Generatioun eropgeet.

Higgs Boson

Den Higgs Boson ass keng direkt Konsequenz aus enger Symmetriebetruechtung, vermëttelt dofir och keng Interaktioun am Sënn vum Standardmodell a gëtt net als Austauschdeelchen ugesinn. Den Higgs Boson gëtt awer "gebraucht" fir déi elektroschwaach $SU(2)\times U(1)$ -Symmetrie ze briechen an doduerch dem Z an de W Bosonen hier Massen ze ginn . De 4. Juli 2012 gouf an engem Seminär um CERN ugekënnegt, datt Experimenter um Large Hadron Collider e Boson fonnt hunn, deen an allen bis elo ënnersichten Eegenschaften dem Higgs Boson entsprécht . Dëst konnte weider Miessunge konfirméieren.

Physik jenseits vum Standardmodell

De Standardmodell vun der Deelerchersphysik ka bal all deelchephysikalesch Observatiounen erklären déi bis elo gemaach goufen. Allerdéngs ass de Modell onkomplett, well d'gravitativ Wiesselwierkung net beschriwwe gëtt. Zousätzlech ginn et e puer oppe Froen an der Deelerchersphysik déi de Standardmodell net léise kann, wéi zum Beispill déi bestätegt, vun null verschidde, Mass vun den Neutrinoen.

Et ginn eng Rei vun alternative Modeller, op Basis vun deenen den etabléierte Standardmodell erweidert ka gi fir e puer Problemer besser kënnen ze beschreiwen. Déi bekanntst Approche fir nei Modeller si Versich, déi dräi Wiesselwierkungen déi am Standardmodell optrieden an eng grouss vereenegt Theorie (GUT) ze kombinéieren. Esou Modeller enthalen dacks Supersymmetrie, eng Symmetrie tëscht Bosonen a Fermionen. Eng aner Approche fir de Standardmodell ze erweideren ergëtt Theorië vun der Quantegravitatioun. Esou Approchen enthalen zum Beispill Stringtheorien, déi och d'GUT Modeller enthalen, a Loop Quantegravitatioun.