Das Standardmodell der Teilchenphysik liefert bereits eine recht überzeugende Beschreibung der Bausteine und Kräfte dieser Welt. Und doch ist das Modell nicht der Weisheit letzter Schluss. Es gibt begründete Zweifel.

Das Standardmodell der Teilchenphysik liefert nicht nur Antworten zur Welt des Allerkleinsten, es wartet auch mit einigen Fragen auf. Darunter:

• Was ist der Ursprung der Teilchenmasse?
• Wieso gibt es genau drei Teilchenfamilien?
• Wieso entsprechen sich die Ladungen von Elektron und Proton?
• Woher stammt das Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie?
• Gibt es einen einheitlichen Ursprung aller drei Kräfte des Standard-Modells?
• Wie lässt sich die Gravitation mit einbeziehen?

Teilchenphysiker hoffen, in den kommenden Jahren und Jahrzehnten mit neuen Experimenten Antworten zu finden.

Eine Übersicht:

Was ist der Ursprung der Teilchenmasse?

Die Theorien, die im Standardmodell der Teilchenphysik die Regeln der Starken und elektroschwachen Kraft beschreiben, gehen von masselosen Teilchen aus. Die Teilchen erlangen erst durch die Wechselwirkung mit dem sogenannten Higgs-Feld an Masse. Die mit diesen Feld verbundenen Teilchen, die Higgs-Teilchen, haben sich in Experimenten bisher jedoch noch nicht zu zeigen gegeben (siehe Artikel Die Suche nach dem Higgs).

Wieso gibt es drei Teilchenfamilien?

Zu den vier Teilchen Elektron, Elektron-Neutrino, Up-Quark und Down-Quark gesellen sich im Standard-Modell der Teilchenphysik jeweils zwei schwerere Verwandte. Diese Teilchen sind sehr kurzlebig und zerfallen in der Regel schnell in Teilchen der ersten Familie. Wieso es sie gibt, kann derzeit niemand sagen.

Wieso entsprechen sich die Ladungen von Elektron und Proton?

Die Ladung der Quarks entspricht einem oder zwei Dritteln der Ladung des Elektrons. Aus diesem Grund heben sich die Ladungen von Elektron und Proton auf. Dies ist für uns Menschen ganz wesentlich: Denn nur deshalb ist es möglich, dass sich elektrisch neutrale Atome und ein Universum, wie wir es kennen, bilden. Es ist aber auch verblüffend: Denn es gibt damit einen engen Zusammenhang zwischen Quarks und Elektronen, der noch nicht verstanden ist.

Woher stammt das Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie?

Das Universum um uns herum besteht aus Materie. Dennoch liegt die Vermutung nahe, dass kurz nach dem Urknall gleiche Mengen Materie und Antimaterie entstanden sein müssen. Was mit der Antimaterie geschah, ist noch nicht verstanden. Bestimmte Parameter des Standard-Modells könnten für ein Ungleichgewicht gesorgt haben. Aber damit kann das Ungleichgewicht nicht vollständig erklärt werden.

Gibt es einen einheitlichen Ursprung aller drei Kräfte des Standard-Modells?

Ziel der Physiker war es seit jeher, möglichst viele Phänomene dieser Welt mit möglichst wenigen Annahmen beschreiben zu können. So erkannte Isaac Newton, dass für den Fall eines Apfels von einem Baum dieselben Gleichungen gelten wie für die Bewegung der Planeten um die Sonne. Und James C. Maxwell fand im 19. Jahrhundert eine gemeinsame Beschreibung für Elektrizität und Magnetismus und fasste damit zwei zuvor völlig verschiedene Phänomene zu einem zusammen. Seitdem können elektrische und magnetische Kräfte sowie auch alle Eigenschaften des Lichts mit einer Hand voll Formeln erklärt werden. Die Vereinigung der Kräfte schritt im 20. Jahrhundert fort: Im Standardmodell der Teilchenphysik sind die elektromagnetische und die Schwache Kraft zwei Formen derselben elektroschwachen Wechselwirkung.

Bei normalen Energien lassen sich die elektromagnetische, Schwache und Starke Kraft schon alleine anhand ihrer Stärken unterscheiden. Quantentheoretische Effekte jedoch sorgen dafür, dass die Stärken von der Energie abhängen, bei der sie gemessen werden. Der genaue Zusammenhang konnte bei geringen bis mittleren Energien experimentell genau überprüft werden. Anhand dieser Daten lässt sich vorhersagen, dass sich die Stärken bei sehr hohen Energien (10¹⁶ Gigaelektronenvolt) angleichen. Das legt den Schluss nahe, dass es sich bei den Wechselwirkungen um unterschiedliche Formen derselben Urkraft handeln könnte.

Die Angleichung der Stärken der Kräfte erfolgt noch genauer, wenn man von einem zusätzlichen Prinzip ausgeht, der Supersymmetrie. Danach gibt es zu jedem der Teilchen mit halbzahligem Spin ein Teilchen mit ganzzahligem Spin und umgekehrt (siehe Artikel Supersymmetrie). Ob die Supersymmetrie in der Natur existiert, könnte experimentell durch das Auffinden der supersymmetrischen Teilchen bestätigt werden. Dies ist bisher aber noch nicht geschehen. Das kann daran liegen, dass es die Teilchen (und die Supersymmetrie) nicht gibt oder aber, dass die supersymmetrischen Teilchen viel zu schwer sind, als dass sie mit gegenwärtigen Teilchenbeschleunigern entdeckt werden könnten.

Wie lässt sich die Gravitation mit einbeziehen?

Eine der größten Schwächen des Standardmodells der Teilchenphysik ist, dass eine Beschreibung der Gravitation nicht enthalten ist. Dies stellt bei den derzeitig in Teilchenbeschleunigern erreichbaren Energien kein Problem dar: Hier ist die Gravitation im Vergleich zu den anderen drei Kräften so schwach, dass sie getrost vernachlässigt werden kann. Bei Energien, wie sie kurz nach dem Urknall vorherrschten, ist dies jedoch nicht mehr der Fall.

Die Theoretiker haben es bisher nicht geschafft, die Gravitation mit den Methoden des Standardmodells zu beschreiben. Mehr noch: Die Beschreibung der Starken und elektroschwachen Kraft durch das Standardmodell und die Formulierung der Gravitation durch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sind bei hohen Energien unvereinbar. Hier muss eine neue Idee her.

Ein Kandidat für eine umfassende Beschreibung aller Kräfte ist die Superstringtheorie (siehe Artikel Stringtheorie), in denen Teilchen nicht mehr punktförmig sind, sondern winzigen schwingenden Saiten gleichen. Der Übergang von den punktförmigen Teilchen zu den ausgedehnten Saiten löst die theoretischen Schwierigkeiten, die entstehen, wenn man eine quantentheoretische Beschreibung der Gravitation versucht.