Wissenschaft einfach gemacht: Was ist das Standardmodell der Teilchenphysik?

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Das Standardmodell der Teilchenphysik ist die derzeit beste Theorie der Wissenschaftler zur Beschreibung der grundlegendsten Bausteine des Universums. Sie erklärt, wie Teilchen, die Quarks (aus denen Protonen und Neutronen bestehen) und Leptonen (zu denen Elektronen gehören), die gesamte bekannte Materie bilden. Sie erklärt auch, wie krafttragende Teilchen, die zu einer breiteren Gruppe von Bosonen gehören, die Quarks und Leptonen beeinflussen.

Das Standardmodell erklärt drei der vier fundamentalen Kräfte, die das Universum regieren: Elektromagnetismus, die starke Kraft und die schwache Kraft. Der Elektromagnetismus wird von Photonen getragen und beinhaltet die Wechselwirkung von elektrischen Feldern und Magnetfeldern. Die starke Kraft, die von Gluonen getragen wird, bindet Atomkerne zusammen, um sie stabil zu machen. Die schwache Kraft, die von W- und Z-Bosonen getragen wird, verursacht Kernreaktionen, die unsere Sonne und andere Sterne seit Milliarden von Jahren antreiben. Die vierte fundamentale Kraft ist die Schwerkraft, die durch das Standardmodell nicht ausreichend erklärt wird.

Trotz seines Erfolgs bei der Erklärung des Universums hat das Standardmodell Grenzen. Zum Beispiel verleiht das Higgs-Boson den Quarks, geladenen Leptonen (wie Elektronen) und den W- und Z-Bosonen Masse. Wir wissen jedoch noch nicht, ob das Higgs-Boson auch Neutrinos Masse verleiht – Geisterteilchen, die nur sehr selten mit anderer Materie im Universum wechselwirken. Die Physiker wissen auch, dass etwa 95 Prozent des Universums nicht aus gewöhnlicher Materie, wie wir sie kennen, besteht. Stattdessen besteht ein Großteil des Universums aus dunkler Materie und dunkler Energie, die nicht in das Standardmodell passen.

DOE Büro für Wissenschaft: Beiträge zum Standardmodell der Teilchenphysik

Das DOE hat eine lange Geschichte in der Unterstützung der Forschung an fundamentalen Teilchen. Fünf der sechs Quarksorten, eine Leptonenart und alle drei Neutrinos wurden in den nationalen Laboratorien des heutigen DOE entdeckt. Forscher, die vom Wissenschaftsbüro des DOE unterstützt werden, oft in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus der ganzen Welt, haben zu den mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Entdeckungen und Messungen beigetragen, die das Standardmodell verfeinert haben. Diese Bemühungen werden auch heute noch fortgesetzt, mit Experimenten, die Präzisionstests des Standardmodells durchführen und die Messungen der Partikeleigenschaften und ihrer Wechselwirkungen weiter verbessern. Theoretiker arbeiten mit experimentellen Wissenschaftlern zusammen, um neue Wege zur Erforschung des Standardmodells zu entwickeln. Diese Forschungen können auch Einblicke in die Arten unbekannter Teilchen und Kräfte geben, die dunkle Materie und dunkle Energie erklären könnten, sowie erklären, was mit der Antimaterie nach dem Urknall geschah.

Fakten zum Standardmodell der Teilchenphysik
Die gesamte gewöhnliche Materie, einschließlich jedes Atoms des Periodensystems der Elemente, besteht aus nur drei Arten von Materieteilchen: Up- und Down-Quarks, aus denen die Protonen und Neutronen im Kern bestehen, und Elektronen, die den Kern umgeben.
Der Aufbau des vollständigen Standardmodells nahm viel Zeit in Anspruch. Der Physiker J.J. Thomson entdeckte das Elektron 1897, und die Wissenschaftler am Large Hadron Collider fanden 2012 das letzte Puzzlestück, das Higgs-Boson.

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