Standardmodell

Fermionen

Fermionen sind Teilchen, die sich miteinander verbinden, um alle "Materie" zu bilden, die wir sehen. Beispiele für Gruppen von Fermionen sind das Proton und das Neutron. Fermionen haben Eigenschaften wie Ladung und Masse, die man im täglichen Leben sehen kann. Sie haben auch andere Eigenschaften, wie Spin, schwache Ladung, Hyperladung und Farbladung, deren Auswirkungen im Alltag normalerweise nicht auftreten. Diese Eigenschaften werden als Quantenzahlen bezeichnet.

Fermionen sind Teilchen, deren Spinzahlen einer ungeraden, positiven Zahl mal der Hälfte entsprechen: 1/2, 3/2, 5/2, usw. Wir sagen, dass Fermionen einen "halbzahligen Spin" haben.

Eine wichtige Tatsache über Fermionen ist, dass sie einer Regel folgen, die als Pauli-Ausschlussprinzip bezeichnet wird. Diese Regel besagt, dass sich keine zwei Fermionen zur gleichen Zeit am gleichen "Ort" befinden dürfen, da keine zwei Fermionen in einem Atom zur gleichen Zeit die gleichen Quantenzahlen haben können. Fermionen gehorchen auch einer Theorie namens Fermi-Dirac-Statistik. Das Wort "Fermion" ehrt den Physiker Enrico Fermi.

Es gibt 12 verschiedene Arten von Fermionen. Jede Art wird als "Geschmack" bezeichnet. Ihre Namen sind:

• Quarks - oben, unten, seltsam, Charme, oben, unten
• Leptonen - Elektron, Myon, Tau, Elektron-Neutrino, Myon-Neutrino, Tau-Neutrino. Das Elektron ist das bekannteste Lepton.

Die Quarks sind in drei Paare gruppiert. Jedes Paar wird als "Generation" bezeichnet. Das erste Quark in jedem Paar hat die Ladung 2/3 und das zweite Quark die Ladung -1/3. Die drei Arten von Neutrinos haben eine Ladung von 0, das Elektron, Myon und Tau eine Ladung von -1.

Materie besteht aus Atomen, und Atome bestehen aus Elektronen, Protonen und Neutronen. Protonen und Neutronen bestehen aus Up- und Down-Quarks. Sie können ein Lepton für sich allein finden, aber Sie können niemals Quarks allein finden. Das liegt daran, dass die Quarks durch die Farbkraft zusammengehalten werden.

Ein Bild der drei Quarks in einem Proton

Bosonen

Bosonen sind die zweite Art von Elementarteilchen im Standardmodell. Alle Bosonen haben einen ganzzahligen Spin (1, 2, 3, etc..), so dass sich viele von ihnen zur gleichen Zeit am gleichen Ort befinden können. Es gibt zwei Arten von Bosonen, die Eichbosonen und das Higgs-Boson. Eichbosonen sind das, was die fundamentalen Naturkräfte möglich macht. (Wir sind noch nicht sicher, ob die Schwerkraft durch ein Eichboson wirkt.) Jede Kraft, die auf Fermionen wirkt, geschieht, weil sich Eichbosonen zwischen den Fermionen bewegen und die Kraft tragen. Bosonen folgen einer Theorie namens Bose-Einstein-Statistik. Das Wort "Boson" ehrt den indischen Physiker Satyendra Nath Bose.

Das Standardmodell besagt, dass es solche gibt:

• 12 Fermionen, jedes mit seinem eigenen Antiteilchen;
• 12 Gauge-Bosonen: 8 Arten von Gluonen, das Photon, W+, W- und Z;

Diese Partikel wurden alle entweder in der Natur oder im Labor beobachtet. Das Modell sagt auch voraus, dass es ein Higgs-Boson gibt. Das Modell besagt, dass Fermionen Masse haben (sie sind nicht nur reine Energie), weil Higgs-Bosonen zwischen ihnen hin- und herwandern. Es wird angenommen, dass das Higgs-Boson am 4. Juli 2012 entdeckt wurde. Es ist das Teilchen, das anderen Teilchen Masse verleiht.

Fundamentale Kräfte

Es gibt vier grundlegende bekannte Naturkräfte. Diese Kräfte wirken auf Fermionen und werden von Bosonen getragen, die sich zwischen diesen Fermionen bewegen. Das Standardmodell erklärt drei dieser vier Kräfte.

• Starke Kraft: Diese Kraft hält die Quarks zusammen, um Hadronen wie Protonen und Neutronen zu erzeugen. Die starke Kraft wird von Gluonen getragen. Die Theorie der Quarks, der starken Kraft und der Gluonen wird Quantenchromodynamik (QCD) genannt.
• Die verbleibende starke Kraft hält Protonen und Neutronen zusammen und bildet den Kern eines jeden Atoms. Diese Kraft wird von Mesonen getragen, die aus zwei Quarks bestehen.
• Schwache Kraft: Diese Kraft kann den Geschmack eines Fermions verändern und Beta-Zerfall verursachen. Die schwache Kraft wird von drei Eichbosonen getragen: W+, W-, und das Z-Boson.
• Elektromagnetische Kraft: Diese Kraft erklärt Elektrizität, Magnetismus und andere elektromagnetische Wellen einschließlich Licht. Diese Kraft wird durch das Photon getragen. Die kombinierte Theorie von Elektron, Photon und Elektromagnetismus wird Quantenelektrodynamik genannt.
• Schwerkraft: Dies ist die einzige fundamentale Kraft, die nicht durch den SM erklärt wird. Sie kann von einem Teilchen namens Graviton getragen werden. Die Physiker suchen nach dem Graviton, aber sie haben es noch nicht gefunden.

Die starken und schwachen Kräfte sind nur im Inneren eines Atomkerns zu sehen. Sie wirken nur über sehr kleine Distanzen: Distanzen, die etwa so weit sind, wie ein Proton breit ist. Die elektromagnetische Kraft und die Schwerkraft wirken über jede Distanz, aber die Stärke dieser Kräfte nimmt ab, je weiter die betroffenen Objekte voneinander entfernt sind. Die Kraft nimmt mit dem Quadrat des Abstands zwischen den betroffenen Objekten ab: Wenn sich z.B. zwei Objekte doppelt so weit voneinander entfernen, verringert sich die Schwerkraft zwischen ihnen um das Vierfache (²²⁼⁴).

Einschränkungen

Das Standardmodell reicht nicht aus, um eine Theorie für alles zu sein. Es enthält weder die vollständige Gravitationstheorie, wie sie von der Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben wird, noch berücksichtigt es die beschleunigte Expansiondes Universums (wie sie möglicherweise von der dunklen Energie beschrieben wird). Das Modell enthält kein Teilchen der dunklen Materie, das alle in der beobachtenden Kosmologie beobachteten Eigenschaften besitzt. Es wird angenommen, dass das SM theoretisch selbstkonsistent ist. Es hat große und anhaltende Erfolge bei experimentellen Vorhersagen gezeigt, aber es lässt einige Dinge unerklärt.