Woraus besteht alles? Diese Frage führte zur erfolgreichsten wissenschaftlichen Theorie der Geschichte!

Wenn wir einen Apfel oder irgendetwas anderes, das Sie gerade umgibt, in kleinere Stücke teilen könnten, was würde am Ende dabei herauskommen?

Bereits vor mehr als 2.000 Jahren dachten die antiken griechischen Philosophen über dieses Problem nach. Einst glaubten sie, dass die vier Elemente Wasser, Feuer, Erde und Luft die Grundeinheiten der Welt seien. Doch als es den Physikern gelang, immer kleinere Entfernungsskalen zu erforschen, entwickelten sie in den 1970er Jahren schließlich die erfolgreichste wissenschaftliche Theorie aller Zeiten: das sogenannte Standardmodell. Dieser unscheinbar klingende Name wurde vermutlich erstmals von Steven Weinberg, der maßgeblich zum Standardmodell beitrug, vor 50 Jahren in einem Vortrag erwähnt.

Kurz gesagt beschreibt das Standardmodell die Eigenschaften der Elementarteilchen, aus denen alles besteht (wie Masse, Ladung und Spin), und wie sie miteinander interagieren. Bei den hier genannten Elementarteilchen handelt es sich um solche Teilchen, die nicht weiter zerlegt werden können. Welche Elementarteilchen enthält also das Standardmodell?

Wir wissen, dass eigentlich alles aus sehr kleinen Atomen besteht. Die meisten Menschen sind mit dem Atom vertraut. In seinem Zentrum befindet sich ein Atomkern, um den Elektronen kreisen. Das Elektron ist das erste entdeckte Elementarteilchen und spielt eine entscheidende Rolle bei physikalischen Phänomenen wie Elektrizität, Magnetismus und Wärmeleitfähigkeit. Aber der Kern ist nicht elementar; Es besteht aus Protonen und Neutronen, die eine etwa 1.800-mal so große Masse wie Elektronen haben.

Alles besteht aus Atomen, und Atome bestehen aus Elektronen und Kernen. (Abbildung/Prinzip)

Doch dann entdeckten die Physiker, dass auch Protonen und Neutronen keine Elementarteilchen sind, sondern tatsächlich aus Up-Quarks (u) und Down-Quarks (d) bestehen. Ein Proton besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark, während ein Neutron aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks besteht.

Protonen und Neutronen bestehen beide aus Quarks. Aber das ist eigentlich ein vereinfachtes Bild; Tatsächlich sind sie im Inneren äußerst komplex. (Abbildung/Prinzip)

Eine erstaunliche Tatsache ist, dass – ob Sie, ich, Katzen auf der Erde oder ferne Planeten, Sterne und interstellare Gase – sie alle aus Up-Quarks, Down-Quarks und Elektronen bestehen. Diese drei Elementarteilchen vermischten sich auf verschiedene Weise und bildeten alles, was wir heute sehen.

Alles, was wir heute sehen, besteht aus Up-Quarks (u), Down-Quarks (d) und Elektronen (e). (Abbildung/Prinzip)

Unter diesen drei Teilchen sind Elektronen Leptonen. Neben Elektronen gibt es auch ein sehr leichtes und ungeladenes Lepton, das Neutrino genannt wird. Sie sind mit diesem Teilchen vielleicht nicht sehr vertraut oder haben sogar das Gefühl, dass es nichts mit uns zu tun hat, aber tatsächlich passieren Billionen von Neutrinos pro Sekunde unseren Körper, aber wir können sie nicht spüren. Sie werden auch oft als Geisterteilchen bezeichnet, da sie kaum mit Materie interagieren. Von der Sonne freigesetzte Neutrinos können die Erde leicht durchdringen, daher ist es sehr schwierig, diese Teilchen einzufangen.

Elektronen und Neutrinos (ν) sind beide Leptonen. (Abbildung/Prinzip)

Jetzt haben wir vier Elementarteilchen und es scheint, dass unser Universum nur diese vier Teilchen benötigt. Doch Physiker haben herausgefunden, dass diese vier Teilchen nur die erste von drei Generationen materieller Teilchen sind!

Drei Generationen materieller Teilchen. (Abbildung/Prinzip)

Das Standardmodell umfasst auch Materieteilchen der zweiten und dritten Generation. Jede Generation von Materieteilchen ist schwerer als die vorherige. Wir betrachten beispielsweise Myonen und Tauonen, die genau dasselbe sind wie Elektronen, nur viel schwerer! Die Masse eines Myons beträgt etwa das 206-fache der Masse eines Elektrons, während ein Tau mehr als 3.000-mal schwerer ist als ein Elektron.

Myonen und Tau-Partikel sind nicht nur massereicher, sie sehen auch genauso aus wie Elektronen. (Abbildung/Prinzip)

Das Problem besteht jedoch darin, dass wir im Alltag keine exotischen Blumen und Pflanzen sehen, die aus Teilchen der zweiten und dritten Generation bestehen. Diese schwereren Partikel können zwar erzeugt werden, sind jedoch sehr instabil und zerfallen schnell in Partikel der ersten Generation. Es scheint, dass das Universum auch ohne die beiden schwereren Teilchengenerationen gut funktionieren könnte. Warum gibt es also drei? Dies ist eines der großen Mysterien der Physik.

Zu den Fermionen oder Materieteilchen zählen Quarks und Leptonen. (Abbildung/Prinzip)

OK, jetzt wissen wir also über diese Elementarteilchen Bescheid, aus denen alles besteht, aber wie interagieren sie miteinander? Nun müssen wir einen anderen Teilchentyp im Standardmodell erwähnen, die Eichbosonen, die kraftübertragende Teilchen sind. In der Natur sind vier fundamentale Kräfte bekannt: Schwerkraft, Elektromagnetismus, starke Kraft und schwache Kraft. Das Standardmodell beschreibt neben der Gravitation drei weitere Kräfte, die durch den Austausch krafttragender Teilchen zustande kommen.

Wenn beispielsweise zwei negativ geladene Elektronen aufeinandertreffen, stoßen sie sich aufgrund der elektromagnetischen Kraft gegenseitig ab. Tatsächlich tauschen sie Photonen aus, wobei ein Elektron ein Photon emittiert und das andere es absorbiert. Mit anderen Worten: Photonen sind die kraftübertragenden Teilchen der elektromagnetischen Kraft.

Photonen (𝛾) sind die krafttragenden Teilchen der elektromagnetischen Kraft. (Abbildung/Prinzip)

Wir haben bereits erwähnt, dass Protonen und Neutronen aus drei Quarks bestehen. Welche Art von Kraft sorgt also dafür, dass die Quarks fest zusammengebunden und nicht getrennt bleiben? Die Antwort ist die starke Kraft, und so wie die elektromagnetische Kraft durch Photonen übertragen wird, wird die starke Kraft durch krafttragende Teilchen, sogenannte Gluonen, übertragen. Gluonen tragen „Farbladung“ und können daher mit Quarks interagieren, die ebenfalls Farbladung tragen.

Das 1979 entdeckte Gluon (g) ist das starke kraftübertragende Teilchen. (Abbildung/Prinzip)

Die schwache Kraft wirkt ebenso wie die starke Kraft auf sehr kleinen Skalen. Innerhalb eines Protons oder Neutrons kann die schwache Kraft die Art der Quarks verändern. Beispielsweise kann die schwache Kraft das Down-Quark in einem Neutron in ein Up-Quark umwandeln, wodurch das Neutron zu einem Proton wird. Befindet sich das Neutron im Atomkern, führt diese Umwandlung dazu, dass das Atom zu einem anderen Element wird. Die krafttragenden Teilchen, die mit der schwachen Kraft verbunden sind, werden W- und Z-Bosonen genannt.

Im Jahr 1983 entdeckten Physiker die W- und Z-Bosonen, die Teilchen, die die schwache Kraft tragen. Das W-Boson ist das einzige Eichboson, das eine elektrische Ladung trägt. (Abbildung/Prinzip)

Nun gibt es ein Elementarteilchen im Standardmodell, das wir noch nicht erwähnt haben. Es handelt sich um das letzte Teilchen, das 2012 entdeckt wurde. Es heißt Higgs-Boson. Es ist etwas ganz Besonderes, weil es den Teilchen Masse verleiht. Ohne sie wären Elektronen und Quarks wie Photonen, also ohne Masse.

Das Standardmodell besteht aus 12 Materieteilchen, 4 Eichbosonen und dem Higgs-Boson, insgesamt also 17 Elementarteilchen.

Das Higgs-Boson war das letzte Teilchen im Standardmodell, das entdeckt wurde. (Abbildung/Prinzip)

Wir müssen bedenken, dass das Standardmodell, obwohl ich es gerade anhand von Teilchen beschrieben habe, tatsächlich in Form einer sehr komplexen Quantenfeldtheorie geschrieben ist. In der Quantenfeldtheorie ist das abstrakter klingende „Feld“ sogar noch grundlegender als die Teilchen. Jedes Teilchen hat ein entsprechendes Feld, beispielsweise Quarkfeld, Elektronenfeld, Higgs-Feld usw. Diese Felder füllen den gesamten Raum aus. Die Wechselwirkung zwischen Teilchen ist eigentlich die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Quantenfeldern. Beispielsweise gewinnen Elektronen durch die Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld an Masse.

Die Lagrange-Funktion des Standardmodells, die alle Elementarteilchen im Standardmodell und ihre Wechselwirkungen beschreibt. (Foto/THOMAS GUTIERREZ)

Das Standardmodell ist wohl die erfolgreichste wissenschaftliche Theorie, die jemals entwickelt wurde. In einigen Fällen stimmen seine Vorhersagen auf 12 Dezimalstellen genau mit den experimentellen Ergebnissen überein. Dies ist in anderen Bereichen undenkbar.

Obwohl das Standardmodell ein großer Erfolg war, gibt es noch immer viele Fragen, die es nicht beantworten kann. Beispielsweise werden darin nur die drei Grundkräfte erklärt, die Schwerkraft wird jedoch nicht berücksichtigt. es kann auch nicht erklären, was dunkle Materie und dunkle Energie sind; noch beantwortet es die Frage, warum das Universum, in dem wir leben, von Materie und nicht von Antimaterie dominiert wird. Daher ist die Suche nach experimentellen Beweisen, die über das Standardmodell hinausgehen, für viele Physiker zu einer der wichtigsten Prioritäten geworden. Doch das ist keineswegs eine leichte Aufgabe. Was wir jetzt tun können, ist, weiterhin neugierig zu bleiben und im Dunkeln weiterzutasten.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Team: Prinzipal

Gutachter: Zhang Shuangnan, Forscher, Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.