Standardmodell. Was für ein dummer Name für die genaueste wissenschaftliche Theorie, die der Menschheit bekannt ist. Mehr als ein Viertel der Nobelpreise für Physik des letzten Jahrhunderts wurden an Werke vergeben, die entweder direkt oder indirekt mit dem Standardmodell in Verbindung standen. Ihr Name ist natürlich so, als ob Sie eine Verbesserung für ein paar hundert Rubel kaufen können. Jeder theoretische Physiker würde die „erstaunliche Theorie von fast allem“bevorzugen, die es wirklich ist.
Viele erinnern sich an die Aufregung unter Wissenschaftlern und Medien über die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012. Aber seine Entdeckung war keine Überraschung und kam nicht von ungefähr - es war der 50. Jahrestag der Siegesserie des Standardmodells. Es umfasst alle fundamentalen Kräfte außer der Schwerkraft. Jeder Versuch, es zu widerlegen und im Labor zu demonstrieren, dass es komplett überarbeitet werden musste - und es gab viele - schlug fehl.
Kurz gesagt, das Standardmodell beantwortet diese Frage: Woraus besteht alles und wie passt alles zusammen?
Die kleinsten Bausteine
Physiker lieben einfache Dinge. Sie wollen alles bis ins Mark zerstören, um die grundlegendsten Bausteine zu finden. In Gegenwart von Hunderten chemischer Elemente ist dies nicht so einfach. Unsere Vorfahren glaubten, dass alles aus fünf Elementen besteht - Erde, Wasser, Feuer, Luft und Äther. Fünf ist viel einfacher als einhundertachtzehn. Und auch falsch. Sie wissen sicherlich, dass die Welt um uns herum aus Molekülen besteht und Moleküle aus Atomen. Der Chemiker Dmitry Mendeleev hat dies in den 1860er Jahren herausgefunden und Atome in der Elementtabelle dargestellt, die heute in der Schule studiert wird. Aber es gibt 118 dieser chemischen Elemente: Antimon, Arsen, Aluminium, Selen … und 114 weitere.
1932 wussten Wissenschaftler, dass alle diese Atome nur aus drei Teilchen bestehen - Neutronen, Protonen und Elektronen. Neutronen und Protonen sind im Kern eng miteinander verwandt. Elektronen, die tausendmal leichter sind als sie, kreisen mit Lichtgeschwindigkeit um den Kern. Die Physiker Planck, Bohr, Schrödinger, Heisenberg und andere haben eine neue Wissenschaft eingeführt - die Quantenmechanik -, um diese Bewegung zu erklären.
Es wäre toll, dort anzuhalten. Nur drei Partikel. Es ist noch einfacher als fünf. Aber wie halten sie zusammen? Negativ geladene Elektronen und positiv geladene Protonen werden durch die Kräfte des Elektromagnetismus zusammengehalten. Aber die Protonen springen im Kern auf und ihre positiven Ladungen sollten sie wegdrücken. Selbst neutrale Neutronen helfen nicht.
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Was bindet diese Protonen und Neutronen zusammen? "Göttliche Intervention"? Aber selbst ein göttliches Wesen würde Schwierigkeiten haben, jedes der 1080 Protonen und Neutronen im Universum im Auge zu behalten und sie durch Willenskraft zu halten.
Erweiterung des Zoos der Partikel
Unterdessen weigert sich die Natur verzweifelt, nur drei Partikel in ihrem Zoo zu speichern. Sogar vier, weil wir das Photon, das von Einstein beschriebene Lichtteilchen, berücksichtigen müssen. Aus vier wurden fünf, als Anderson positiv geladene Elektronen - Positronen - maß, die vom Weltraum auf die Erde trafen. Aus fünf wurde sechs, als die Pfingstrose entdeckt wurde, die den Kern als Ganzes hielt und von Yukawa vorhergesagt wurde.
Dann erschien das Myon - 200-mal schwerer als das Elektron, aber ansonsten sein Zwilling. Es ist schon sieben. Nicht so einfach.
In den 1960er Jahren gab es Hunderte von "fundamentalen" Partikeln. Anstelle eines gut organisierten Periodensystems gab es nur lange Listen von Baryonen (schwere Teilchen wie Protonen und Neutronen), Mesonen (wie Yukawa-Pionen) und Leptonen (leichte Teilchen wie Elektronen und schwer fassbare Neutrinos) ohne Organisation oder Gestaltungsprinzipien.
Und in diesem Abgrund wurde das Standardmodell geboren. Es gab keine Einsicht. Archimedes sprang nicht aus dem Badezimmer und rief "Eureka!" Nein, stattdessen haben Mitte der 1960er Jahre einige kluge Leute wichtige Annahmen getroffen, die diesen Sumpf zuerst in eine einfache Theorie und dann in fünfzig Jahre experimenteller Tests und theoretischer Entwicklung verwandelten.
Quarks. Sie haben sechs Optionen, die wir Aromen nennen. Wie Blumen, nur nicht so lecker riechend. Anstelle von Rosen, Lilien und Lavendel gingen wir auf und ab, seltsam und bezaubernd, liebliche und wahre Quarks. 1964 lehrten uns Gell-Mann und Zweig, wie man drei Quarks mischt, um einen Baryon herzustellen. Ein Proton ist zwei Up- und ein Down-Quark. Neutron - zwei untere und eine obere. Nimm einen Quark und einen Antiquark - hol dir ein Meson. Eine Pfingstrose ist ein Up- oder Down-Quark, der mit einem Up- oder Down-Antiquark verbunden ist. Alle Materie, mit der wir es zu tun haben, besteht aus Auf- und Ab-Quarks, Antiquarks und Elektronen.
Einfachheit. Nicht gerade einfach, da es nicht einfach ist, Quarks gebunden zu halten. Sie sind so eng miteinander verbunden, dass Sie niemals einen Quark oder Antiquark finden werden, der alleine wandert. Die Theorie dieser Verbindung und die daran beteiligten Teilchen, nämlich die Gluonen, werden als Quantenchromodynamik bezeichnet. Dies ist ein wichtiger Teil des Standardmodells, mathematisch komplex und an einigen Stellen sogar für die Grundmathematik unlösbar. Physiker geben ihr Bestes, um Berechnungen durchzuführen, aber manchmal ist der mathematische Apparat nicht ausreichend entwickelt.
Ein weiterer Aspekt des Standardmodells ist das "Lepton-Modell". Dies ist der Titel eines wegweisenden Papiers von Steven Weinberg aus dem Jahr 1967, das die Quantenmechanik mit dem wesentlichen Wissen darüber kombiniert, wie Teilchen interagieren und sie zu einer einheitlichen Theorie organisieren. Er schaltete den Elektromagnetismus ein, verband ihn mit einer "schwachen Kraft", die zu bestimmten radioaktiven Zerfällen führt, und erklärte, dass dies verschiedene Manifestationen derselben Kraft seien. Der Higgs-Mechanismus wurde in dieses Modell aufgenommen und verleiht fundamentalen Partikeln Masse.
Seitdem hat das Standardmodell die Ergebnisse von Experimenten nach den Ergebnissen vorhergesagt, einschließlich der Entdeckung mehrerer Arten von Quarks und W- und Z-Bosonen - schwere Teilchen, die in schwachen Wechselwirkungen die gleiche Rolle wie ein Photon im Elektromagnetismus spielen. Die Möglichkeit, dass Neutrinos Masse haben, wurde in den 1960er Jahren übersehen, aber einige Jahrzehnte später durch das Standardmodell in den 1990er Jahren bestätigt.
Die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012, die vom Standardmodell lange vorhergesagt und lange erwartet wurde, war jedoch keine Überraschung. Aber es war ein weiterer großer Sieg für das Standardmodell über die dunklen Kräfte, die Teilchenphysiker regelmäßig am Horizont erwarten. Physiker mögen es nicht, dass das Standardmodell nicht ihren Vorstellungen vom Einfachen entspricht, sie sind besorgt über seine mathematische Inkonsistenz und sie suchen auch nach Möglichkeiten, die Schwerkraft in die Gleichung einzubeziehen. Offensichtlich führt dies zu verschiedenen Theorien der Physik, die möglicherweise dem Standardmodell entsprechen. So entstanden großartige Vereinigungstheorien, Supersymmetrie, Technocolor und Stringtheorie.
Leider haben Theorien außerhalb des Standardmodells keine erfolgreichen experimentellen Beweise und keine größeren Mängel im Standardmodell gefunden. Fünfzig Jahre später ist es das Standardmodell, das einer Theorie von allem am nächsten kommt. Erstaunliche Theorie von fast allem.
Ilya Khel
