Das Standardmodell der Teilchenphysik

Die Welt der Physik gründet heute auf dem sogenannten Standardmodell der Teilchenphysik. Das Modell ist jedoch nicht der Weisheit letzter Schluss. Zu viele Fragen bleiben offen.

Vierte Kraft: Wo ist das Higgs-Teilchen?

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Gemäss Standardmodell gibt es im Universum zwei Sorten von Teilchen. Aus den einen - etwa den Quarks, den Bausteinen der Neutronen und Protonen - ist die Materie zusammengesetzt. Die Teilchen der zweiten Gruppe dagegen sind dafür verantwortlich, Kräfte zwischen den Materie-Teilchen zu übermitteln.

Higgs-Teilchen

Die Physiker suchen mit dem LHC als erstes nach dem Higgs-Teilchen. Es ist benannt nach dem Briten Peter Higgs, der die Existenz des «Gottesteilchen» im Jahr 1964 postulierte.

Dessen Nachweis würde eine zentrale physikalische Theorie retten, das sogenannte Standardmodell. Damit können die Wissenschaftler die Existenz und das Verhalten aller Elementarteilchen erklären. Doch gehen die Berechnungen nur auf, wenn diese masselos wären. Erst das Higgs-Teilchen verleiht den Teilchen eine Masse - so als steckten diese in einem zähen Sirup.

Mit dem LHC verfügen die Physiker nun erstmals über einen ausreichend grossen Beschleuniger, um das Teilchen künstlich herstellen und nachweisen zu können - wenn es denn existiert. Gelingt der Nachweis, kann der heute 79 Jahre alte Higgs mit dem Nobelpreis rechnen. Existiert das Teilchen nicht, stürzt ein wichtiges Gedankengebäude ein, das den Aufbau der Welt erklärt.

Dabei sind Photonen Träger der elektromagnetischen Kraft. Bosonen übermitteln die schwache Kraft (verantwortlich für die Sonnenaktivität) und die Gluonen die starke Kraft, die Protonen zusammenhält.

Die offenen Fragen

Keine Erklärung bietet das Standardmodell für die vierte grundlegende Naturkraft, die Gravitation. Das Modell ist somit unvollständig. Es erklärt weder, weshalb Materie eine Masse hat, noch liefert es Erklärungen für die dunkle Materie und das Fehlen von Antimaterie im Universum.

Während Jahrzehnten haben sich Physiker weltweit abgemüht, das Standardmodell zu vervollständigen oder gar durch neue Theorien zu ersetzen. Einer von ihnen ist der Brite Peter Higgs, der die Existenz eines weiteren Teilchens postulierte, des sogenannten Higgs-Boson. Das «Higgs» würde erklären, wie Elementarteilchen zu ihrer Masse kommen.

Mit dem LHC soll nun erstmals eine Anlage zur Verfügung stehen, mit der das «Higgs» nachgewiesen werden könnte. Dazu wollen die CERN-Forscherinnen und Forscher in den nächsten Jahren Milliarden von Protonen zur Kollision bringen. Dabei entstehen Bedingungen, wie sie einen Bruchteil einer Milliardstel-Sekunde nach dem Urknall geherrscht haben.

Langes Warten auf Resultate

Beim Aufprall werden die Protonen in kleinere Teilchen zersplittert, die in den Detektoren der Anlage ihre Spuren hinterlassen. Aufgrund der gemessenen Impulse, Ladungen und Massen wollen die Wissenschafter die Art der Teilchen bestimmen.

Dies wird einige Zeit in Anspruch nehmen. «Es dauert sicher zwei Jahre, bis wir erste neue Erkenntnisse gewonnen haben», erklärt der Zürcher Physikprofessor Ulrich Straumann.

(sda)