Die Entwicklung des Standardmodells wurde von theoretischen und experimentellen Teilchenphysikern gleichermaßen vorangetrieben. Für Theoretiker ist das Standardmodell ein Paradigma einer Quantenfeldtheorie, die eine breite Palette von Phänomenen wie spontane Symmetriebrechung, Anomalien und nicht-störendes Verhalten aufweist. Es wird als Grundlage für den Aufbau exotischerer Modelle verwendet, die hypothetische Teilchen, zusätzliche Dimensionen und ausgeklügelte Symmetrien (wie Supersymmetrie ) einbeziehen, um experimentelle Ergebnisse zu erklären, die vom Standardmodell abweichen, wie die Existenz von Dunkler Materie und Neutrino Schwingungen.
Nachdem 1973 am CERN die neutralen schwachen Ströme entdeckt wurden, die durch den Z-Boson- Austausch verursacht wurden, wurde die elektroschwache Theorie weithin akzeptiert und Glashow, Salam und Weinberg teilten sich 1979 den Nobelpreis für Physik für ihre Entdeckung. Die Bosonen W ± und Z 0 wurden 1983 experimentell entdeckt; und das Verhältnis ihrer Massen entsprach den Vorhersagen des Standardmodells.
Die Theorie der starken Wechselwirkung (dh Quantenchromodynamik, QCD), zu der viele beigetragen haben, erhielt 1973–74 ihre moderne Form, als die asymptotische Freiheit vorgeschlagen wurde (eine Entwicklung, die die QCD zum Hauptfokus der theoretischen Forschung machte) und Experimente bestätigten, dass die Hadronen bestehen aus fraktionell geladenen Quarks.
Der Begriff „Standardmodell“ wurde erstmals 1975 von Abraham Pais und Sam Treiman in Anlehnung an die elektroschwache Theorie mit vier Quarks geprägt.
Partikelgehalt
Das Standardmodell umfasst Mitglieder mehrerer Klassen von Elementarteilchen, die sich wiederum durch andere Eigenschaften, wie zum Beispiel Farbladung, unterscheiden lassen.
Alle Partikel lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Die entscheidende Eigenschaft von Quarks ist, dass sie Farbladungen tragen und daher über die starke Wechselwirkung wechselwirken. Das Phänomen des Farbeinschlusses führt dazu, dass Quarks sehr stark aneinander gebunden sind und farbneutrale Kompositteilchen, sogenannte Hadronen, bilden, die entweder ein Quark und ein Antiquark ( Mesonen ) oder drei Quarks ( Baryonen ) enthalten. Die leichtesten Baryonen sind das Proton und das Neutron. Quarks tragen auch elektrische Ladung und schwachen Isospin. Daher interagieren sie mit anderen Fermionen über Elektromagnetismus und die schwache Wechselwirkung. Die restlichen sechs Fermionen tragen keine Farbladung und werden Leptonen genannt. Die drei Neutrinos tragen auch keine elektrische Ladung, sodass ihre Bewegung nur durch die schwache Kernkraft direkt beeinflusst wird, was es notorisch schwierig macht, sie zu entdecken. Im Gegensatz dazu interagieren Elektron, Myon und Tau alle elektromagnetisch, da sie eine elektrische Ladung tragen.
Jedes Mitglied einer Generation hat eine größere Masse als die entsprechenden Teilchen niedrigerer Generationen. Die geladenen Teilchen der ersten Generation zerfallen nicht, daher besteht die gesamte gewöhnliche ( baryonische ) Materie aus solchen Teilchen. Genauer gesagt bestehen alle Atome aus Elektronen, die um Atomkerne kreisen, die letztendlich aus Up- und Down-Quarks bestehen. Andererseits zerfallen geladene Teilchen der zweiten und dritten Generation mit sehr kurzen Halbwertszeiten und werden nur in sehr energiereichen Umgebungen beobachtet. Neutrinos aller Generationen zerfallen auch nicht und durchdringen das Universum, interagieren aber selten mit baryonischer Materie.
Bosonen messen
Interaktionen im Standardmodell. Alle Feynman-Diagramme im Modell werden aus Kombinationen dieser Scheitelpunkte erstellt. q ist ein Quark, g ist ein Gluon, X ist ein geladenes Teilchen, γ ist ein Photon, f ist ein Fermion, m ist ein Teilchen mit Masse (mit Ausnahme der Neutrinos), m B ist ein Boson mit Masse. In Diagrammen mit mehreren Partikellabels getrennt durch / wird ein Partikellabel gewählt. In Diagrammen mit Partikellabels getrennt durch | die Etiketten müssen in der gleichen Reihenfolge gewählt werden. Im elektroschwachen Fall mit vier Bosonen sind die gültigen Diagramme beispielsweise WWWW, WWZZ, WWγγ, WWZγ. Die Konjugation jedes aufgelisteten Scheitelpunkts (die Richtung der Pfeile umkehren) ist ebenfalls zulässig.
Wechselwirkungen in der Physik sind die Art und Weise, wie Teilchen andere Teilchen beeinflussen. Auf makroskopischer Ebene ermöglicht Elektromagnetismus, dass Teilchen über elektrische und magnetische Felder miteinander wechselwirken, und Gravitation ermöglicht es Teilchen mit Masse, sich gemäß Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie anzuziehen. Das Standardmodell erklärt solche Kräfte als Folge des Austauschs von Materieteilchen mit anderen Teilchen, die allgemein als kraftvermittelnde Teilchen bezeichnet werden. Wenn ein kraftvermittelndes Teilchen ausgetauscht wird, ist die Wirkung auf makroskopischer Ebene äquivalent zu einer Kraft, die beide beeinflusst, und man sagt daher, dass das Teilchen diese Kraft vermittelt (dh deren Vermittler war). Die Berechnungen des Feynman-Diagramms, die eine grafische Darstellung der Näherung der Störungstheorie sind, berufen sich auf "kraftvermittelnde Teilchen", und wenn sie zur Analyse von hochenergetischen Streuexperimenten angewendet werden, stimmen sie mit den Daten überein. Allerdings versagt die Störungstheorie (und damit das Konzept eines "kraftvermittelnden Teilchens") in anderen Situationen. Dazu gehören niederenergetische Quantenchromodynamik, gebundene Zustände und Solitonen.
Die Eichbosonen des Standardmodells haben alle Spin (wie auch Materieteilchen). Der Wert des Spins ist 1, was sie zu Bosonen macht. Als Ergebnis folgen sie nicht dem Pauli-Ausschlussprinzip, das Fermionen einschränkt: Somit haben Bosonen (zB Photonen) keine theoretische Begrenzung ihrer räumlichen Dichte (Anzahl pro Volumen). Die Arten von Eichbosonen werden im Folgenden beschrieben.
Photonen vermitteln die elektromagnetische Kraft zwischen elektrisch geladenen Teilchen. Das Photon ist masselos und wird durch die Theorie der Quantenelektrodynamik gut beschrieben.
Das W+, W−, und Z Eichbosonen vermitteln die schwachen Wechselwirkungen zwischen Partikeln unterschiedlicher Geschmacksrichtungen (alle Quarks und Leptonen). Sie sind massiv, mit demZ massiver sein als die W±. Die schwachen Wechselwirkungen mit denW±wirken nur auf linkshändige Teilchen und rechtshändige Antiteilchen. DasW±trägt eine elektrische Ladung von +1 und -1 und koppelt an die elektromagnetische Wechselwirkung. Der elektrisch neutraleZBoson wechselwirkt sowohl mit linkshändigen Teilchen als auch mit rechtshändigen Antiteilchen. Diese drei Eichbosonen werden zusammen mit den Photonen gruppiert, da sie gemeinsam die elektroschwache Wechselwirkung vermitteln.
Die acht Gluonen vermitteln die starken Wechselwirkungen zwischen farbig geladenen Teilchen (den Quarks). Gluonen sind masselos. Die achtfache Multiplizität der Gluonen wird durch eine Kombination von Farbe und Antifarbladung (zB Rot-Antigrün) gekennzeichnet. Da Gluonen eine effektive Farbladung besitzen, können sie auch untereinander interagieren. Gluonen und ihre Wechselwirkungen werden durch die Theorie der Quantenchromodynamik beschrieben.
Die Wechselwirkungen zwischen allen vom Standardmodell beschriebenen Teilchen sind in den Diagrammen rechts in diesem Abschnitt zusammengefasst.
Das Higgs-Teilchen ist ein massives skalares Elementarteilchen, das 1964 von Peter Higgs theoretisiert wurde, als er zeigte, dass Goldstones Satz von 1962 (generische kontinuierliche Symmetrie, die spontan gebrochen wird) eine dritte Polarisation eines massiven Vektorfeldes liefert. Daher wurde Goldstones ursprüngliches skalares Dublett, das massive Spin-Null-Teilchen, als Higgs-Boson vorgeschlagen und ist ein wichtiger Baustein im Standardmodell. Es hat keinen intrinsischen Spin und wird aus diesem Grund als Boson klassifiziert (wie die Eichbosonen, die einen ganzzahligen Spin haben).
Das Higgs-Boson spielt eine einzigartige Rolle im Standardmodell, indem es erklärt, warum die anderen Elementarteilchen außer Photon und Gluon massiv sind. Insbesondere das Higgs-Boson erklärt, warum das Photon keine Masse hat, während die W- und Z-Bosonen sehr schwer sind. Elementarteilchenmassen und die Unterschiede zwischen Elektromagnetismus (vermittelt durch das Photon) und schwacher Kraft (vermittelt durch die W- und Z-Bosonen) sind für viele Aspekte der Struktur mikroskopischer (und damit makroskopischer) Materie entscheidend. In der elektroschwachen Theorie erzeugt das Higgs-Boson die Massen der Leptonen (Elektron, Myon und Tau) und Quarks. Da das Higgs-Boson massiv ist, muss es mit sich selbst interagieren.
Da das Higgs-Boson ein sehr massereiches Teilchen ist und bei seiner Entstehung auch fast sofort zerfällt, kann es nur ein sehr energiereicher Teilchenbeschleuniger beobachten und aufzeichnen. Experimente zu bestätigen und die Natur des Higgs - Bosons bestimmen die Verwendung von Large Hadron Collider (LHC) am CERN begann Anfang 2010 in und bei ausgeführt Fermilab ‚s Tevatron bis zu seiner Schließung Ende 2011 Mathematische Konsistenz des Standardmodells erfordert, dass jeder Mechanismus die in der Lage sind, die Massen von Elementarteilchen zu erzeugen, müssen bei Energien über visible sichtbar werden1,4 TeV ; daher ist der LHC (entwickelt, um zwei zu kollidieren7 TeV Protonenstrahlen) wurde gebaut, um die Frage zu beantworten, ob das Higgs-Boson tatsächlich existiert.
Am 4. Juli 2012 berichteten zwei der Experimente am LHC ( ATLAS und CMS ) unabhängig voneinander, dass sie ein neues Teilchen mit einer Masse von ca125 GeV/ c 2 (ca. 133 Protonenmassen, in der Größenordnung von10 × 10 –25 kg), was „im Einklang mit dem Higgs-Boson“ steht. Am 13. März 2013 wurde bestätigt, dass es sich um das gesuchte Higgs-Boson handelt.
Technisch gesehen liefert die Quantenfeldtheorie den mathematischen Rahmen für das Standardmodell, in dem ein Lagrange- Operator die Dynamik und Kinematik der Theorie steuert. Jede Teilchenart wird durch ein dynamisches Feld beschrieben, das die Raumzeit durchdringt. Die Konstruktion des Standardmodells folgt der modernen Methode zur Konstruktion der meisten Feldtheorien: indem zuerst eine Reihe von Symmetrien des Systems postuliert wird und dann die allgemeinste renormierbare Lagrange-Funktion aus ihrem Teilchen-(Feld-)Inhalt geschrieben wird, die diese Symmetrien beobachtet.
Für alle relativistischen Quantenfeldtheorien wird die globalePoincaré-Symmetrie postuliert. Es besteht aus der bekannten Translationssymmetrie, Rotationssymmetrie und der Inertialsysteminvarianz, die für die spezielle Relativitätstheorie zentral sind. Die lokale SU(3)×SU(2)×U(1) Eichsymmetrie ist eine interne Symmetrie, die im Wesentlichen das Standardmodell definiert. Die drei Faktoren der Eichsymmetrie führen grob zu den drei fundamentalen Wechselwirkungen. Die Felder fallen in unterschiedliche Darstellungen der verschiedenen Symmetriegruppen des Standardmodells (siehe Tabelle). Beim Schreiben der allgemeinsten Lagrange-Funktion stellt man fest, dass die Dynamik von 19 Parametern abhängt, deren Zahlenwerte experimentell ermittelt werden. Die Parameter sind in der Tabelle (sichtbar durch Klick auf "Anzeigen" oben) zusammengefasst.
Der Sektor der Quantenchromodynamik (QCD) definiert die Wechselwirkungen zwischen Quarks und Gluonen, einer Yang-Mills-Eichtheorie mit SU(3)-Symmetrie, erzeugt von T a. Da Leptonen nicht mit Gluonen interagieren, werden sie von diesem Sektor nicht beeinflusst. Der Dirac-Lagrange-Operator der an die Gluonenfelder gekoppelten Quarks ist gegeben durch
wo
ψichist der Dirac-Spinor des Quarkfeldes, wobei i = {r, g, b} die Farbe darstellt,
τ L → sind die Pauli - Matrizen - unendlich Generatoren der SU (2) Gruppe - mitIndex Lum anzuzeigendass sie nur auf wirken links -chiraler Fermionen,
g' und g sind die Kopplungskonstanten U(1) bzw. SU(2),
() und sind die Feldstärketensoren für die schwachen Isospin- und schwachen Hyperladungsfelder.
Beachten Sie, dass das Hinzufügen von Fermion-Massentermen in den elektroschwachen Larangian verboten ist, da Terme der Form U(1) × SU(2) L -Eichinvarianz nicht respektieren. Es ist auch nicht möglich, explizite Massenterme für die Eichfelder U(1) und SU(2) hinzuzufügen. Der Higgs-Mechanismus ist für die Erzeugung der Eichbosonmassen verantwortlich, und die Fermionmassen resultieren aus Wechselwirkungen vom Yukawa-Typ mit dem Higgs-Feld.