Standardmodell der Teilchenphysik
Das Standardmodell ist die Theorie, die beschreibt, woraus Materie besteht und welche Kräfte zwischen ihren Bausteinen wirken. Es ist die genaueste Theorie, die die Physik hervorgebracht hat — und das Neutrino ist die einzige Stelle, an der es im Labor nachweislich unvollständig ist.
Der Bestand
Zwölf Materieteilchen, geordnet in drei Familien. Sechs Quarks, aus denen Protonen und Neutronen bestehen, und sechs Leptonen — Elektron, Myon, Tau und die drei zugehörigen Neutrinos. Zu jedem gibt es ein Antiteilchen.
Vier Kraftteilchen. Das Photon überträgt den Elektromagnetismus, die W- und Z-Bosonen die schwache Wechselwirkung, Gluonen die starke Wechselwirkung, die Atomkerne zusammenhält.
Ein Higgs-Boson, dessen Feld den übrigen Teilchen ihre Masse verleiht. Es wurde 2012 am CERN nachgewiesen — fast fünfzig Jahre nach seiner Vorhersage.
Die Schwerkraft fehlt. Sie ist im Standardmodell nicht enthalten, und niemand weiß bislang, wie sie sich einfügen ließe.
Warum es so erfolgreich ist
Die Bilanz ist außergewöhnlich. Das Standardmodell hat die Existenz der W- und Z-Bosonen, des Charm-Quarks, des Top-Quarks und des Higgs-Bosons vorhergesagt, bevor sie gefunden wurden — teils Jahrzehnte vorher.
Manche seiner Vorhersagen stimmen auf zwölf Nachkommastellen mit der Messung überein. Das ist eine Genauigkeit, als bestimmte man die Entfernung Berlin–Tokio auf die Breite eines Haares.
Kein einziges Beschleunigerexperiment hat je einen klaren Widerspruch gefunden.
Wo es endet
Und dennoch ist das Standardmodell erkennbar unvollständig. Die Lücken sind gut benannt:
Die Schwerkraft kommt nicht vor.
Dunkle Materie und dunkle Energie machen zusammen etwa 95 Prozent des Energieinhalts des Weltalls aus. Das Standardmodell beschreibt die übrigen fünf.
Das Übergewicht der Materie. Beim Urknall hätten Materie und Antimaterie in gleicher Menge entstehen sollen. Warum etwas übrig blieb, erklärt das Modell nicht — die bekannte Asymmetrie im Quarksektor ist um Größenordnungen zu klein.
Die Zahl drei. Warum es genau drei Teilchenfamilien gibt und nicht zwei oder fünf, ist unbekannt. Die Messung am Z-Boson sagt, dass es drei sind. Sie sagt nicht, warum.
Die Neutrinomasse.
Der Riss an einer einzigen Stelle
In seiner ursprünglichen Fassung enthält das Standardmodell masselose Neutrinos. Das war keine Nachlässigkeit, sondern eine natürliche Folge des Aufbaus: Für eine Masse bräuchte es rechtshändige Neutrinos, und die kommen darin nicht vor.
1998 zeigte Takaaki Kajita, dass Neutrinos oszillieren, 2002 zeigte Arthur B. McDonald, wohin sie sich umwandeln. Oszillieren kann nur, was Masse hat.
Damit steht ein Laborbefund gegen die Theorie — der einzige, der bislang Bestand hat. Alle anderen Abweichungen, die im Lauf der Jahre gemeldet wurden, haben sich als statistische Schwankungen oder Messfehler erwiesen.
Das Standardmodell lässt sich um Neutrinomassen erweitern; die Frage ist, wie. Der Seesaw-Mechanismus wäre eine Antwort, und er würde zugleich einen Weg zur Erklärung des Materieübergewichts eröffnen.
Warum das die Neutrinophysik so interessant macht
Wer über das Standardmodell hinaus will, sucht dort, wo es schon einmal nachgab. Deshalb fließen weltweit Milliarden in immer größere Neutrinodetektoren — von JUNO über DUNE bis Hyper-Kamiokande.
Das Neutrino ist das leichteste, das häufigste und das eigentümlichste Teilchen des Modells. Und es ist das einzige, das bereits einmal etwas verraten hat, was die Theorie nicht wusste.
Verwandte Begriffe
- Lepton — die Teilchenfamilien
- W- und Z-Boson — die Kraftteilchen
- Neutrinomasse — die offene Stelle
- Seesaw-Mechanismus — ein möglicher Ausbau
Quellen
- Particle Data Group: Review of Particle Physics, Abschnitt Standard Model.
- ATLAS- und CMS-Kollaboration: Nachweis des Higgs-Bosons, Physics Letters B 716 (2012).