Es wird oft behauptet, dass die alten Griechen die ersten waren, die Objekte identifizierten, die keine Größe haben, aber in der Lage sind, die Welt um uns herum durch ihre Interaktionen aufzubauen. Und da wir in der Lage sind, die Welt durch immer leistungsfähigere Mikroskope in immer winzigeren Details zu beobachten, ist es natürlich, sich zu fragen, woraus diese Objekte bestehen.

Wir glauben, dass wir einige dieser Objekte gefunden haben: subatomare Teilchen oder fundamentale Teilchen, die keine Größe haben, können keine Unterstruktur haben. Wir versuchen nun, die Eigenschaften dieser Teilchen zu erklären und zu zeigen, wie diese verwendet werden können, um den Inhalt des Universums zu erklären.

Es gibt zwei Arten von fundamentalen Teilchen: Materieteilchen, von denen sich einige verbinden, um die Welt um uns herum zu erzeugen, und Kraftteilchen – von denen eines, das Photon, für elektromagnetische Strahlung verantwortlich ist. Diese werden im Standardmodell der Teilchenphysik klassifiziert, das theoretisiert, wie die Grundbausteine der Materie interagieren, die von fundamentalen Kräften bestimmt werden. Materieteilchen sind Fermionen, während Kraftteilchen Bosonen sind.

Materieteilchen: Quarks und Leptonen

Materieteilchen werden in zwei Gruppen unterteilt: Quarks und Leptonen – es gibt sechs davon mit jeweils einem entsprechenden Partner.

Leptonen sind in drei Paare unterteilt. Jedes Paar hat ein Elementarteilchen mit einer Ladung und eines ohne Ladung – eines, das viel leichter und extrem schwer zu erkennen ist. Das leichteste dieser Paare ist das Elektron und Elektron-Neutrino.

Das geladene Elektron ist für elektrische Ströme verantwortlich. Sein ungeladener Partner, das Elektron-Neutrino, wird in der Sonne reichlich produziert und diese interagieren so schwach mit ihrer Umgebung, dass sie ungehindert durch die Erde gelangen. Eine Million von ihnen passieren jeden Quadratzentimeter Ihres Körpers jede Sekunde, Tag und Nacht.

Elektron-Neutrinos werden bei Supernova-Explosionen in unvorstellbarer Zahl produziert und es sind diese Teilchen, die Elemente, die durch Kernverbrennung erzeugt werden, in das Universum zerstreuen. Zu diesen Elementen gehören der Kohlenstoff, aus dem wir hergestellt werden, der Sauerstoff, den wir atmen, und fast alles andere auf der Erde. Daher sind Neutrinos trotz der Zurückhaltung, mit anderen fundamentalen Teilchen zu interagieren, für unsere Existenz lebenswichtig. Die anderen beiden Neutrino-Paare (genannt Myon und Myon-Neutrino, Tau und Tau-Neutrino) scheinen nur schwerere Versionen des Elektrons zu sein.

Da normale Materie diese Teilchen nicht enthält, scheint es, dass sie eine unnötige Komplikation darstellen. Während der ersten ein bis zehn Sekunden des Universums nach dem Urknall spielten sie jedoch eine entscheidende Rolle bei der Etablierung der Struktur des Universums, in dem wir leben – bekannt als Lepton-Epoche.

Die sechs Quarks sind ebenfalls in drei Paare mit skurrilen Namen aufgeteilt: „oben“ mit „unten“, „Charme“ mit „seltsam“ und „oben“ mit „unten“ (früher „Wahrheit“ und „Schönheit“ genannt, obwohl leider geändert). Die Auf- und Ab-Quarks kleben zusammen, um die Protonen und Neutronen zu bilden, die im Herzen jedes Atoms liegen. Auch hier finden sich nur die leichtesten Quarkpaare in normaler Materie, die Charm / Strange- und Top / Bottom-Paare scheinen im Universum, wie es jetzt existiert, keine Rolle zu spielen, aber wie die schwereren Leptonen spielten sie eine Rolle in den frühen Momenten des Universums und halfen, eine zu schaffen, die unserer Existenz zugänglich ist.

Kraftpartikel

Im Standardmodell gibt es sechs Kraftpartikel, die die Wechselwirkungen zwischen Materieteilchen erzeugen. Sie sind in vier Grundkräfte unterteilt: gravitative, elektromagnetische, starke und schwache Kräfte.

Ein Photon ist ein Lichtteilchen und verantwortlich für elektrische und magnetische Felder, die durch den Austausch von Photonen von einem geladenen Objekt zu einem anderen erzeugt werden. Das Gluon erzeugt die Kraft, die dafür verantwortlich ist, Quarks zusammenzuhalten, um Protonen und Neutronen zu bilden, und diese Protonen und Neutronen zusammenzuhalten, um schwerere Kerne zu bilden.

Drei Teilchen mit den Namen „W plus“, „W minus“ und „Z zero“ – sogenannte intermediäre Vektorbosonen – sind für den Prozess des radioaktiven Zerfalls und für die Prozesse in der Sonne verantwortlich, die sie zum Leuchten bringen. Es wird angenommen, dass ein sechstes Kraftteilchen, das Graviton, für die Gravitation verantwortlich ist, aber noch nicht beobachtet wurde.

Antimaterie: die Science-Fiction-Realität

Wir wissen auch von der Existenz von Antimaterie. Dies ist ein Konzept, das von Science-Fiction-Autoren sehr geliebt wird, aber es existiert wirklich. Antimaterie-Partikel wurden häufig beobachtet. Zum Beispiel wird das Positron (das Antiteilchen des Elektrons) in der Medizin verwendet, um unsere inneren Organe mittels Positronen-Emissions-Tomographie (PET) abzubilden. Wenn ein Teilchen auf sein Antiteilchen trifft, vernichten sich beide gegenseitig und es entsteht ein Energieschub. Ein PET-Scanner wird verwendet, um dies zu erkennen. Jedes der oben genannten Materieteilchen hat ein Partnerteilchen, das die gleiche Masse, aber entgegengesetzte elektrische Ladung hat, so dass wir die Anzahl der Materieteilchen (sechs Quarks und sechs Leptonen) verdoppeln können, um zu einer endgültigen Zahl von 24 zu gelangen.

Wir geben Materie-Quarks eine Zahl von +1 und Anti-Materie-Quarks einen Wert von -1. Wenn wir die Anzahl der Materiequarks plus die Anzahl der Antimaterie-Quarks addieren, erhalten wir die Nettoanzahl der Quarks im Universum, die sich nie ändert. Wenn wir genug Energie haben, können wir jedes der Materie-Quarks erzeugen, solange wir gleichzeitig ein Anti-Materie-Quark erzeugen. In den frühen Momenten des Universums wurden diese Teilchen kontinuierlich erzeugt – jetzt entstehen sie nur noch bei Kollisionen kosmischer Strahlung mit der Atmosphäre von Planeten und Sternen.

Das berühmte Higgs-Boson

Es gibt ein letztes Teilchen, das den Appell der Teilchen in dem bisher beschriebenen Standardmodell der Teilchenphysik vervollständigt. Es ist das Higgs, das vor 50 Jahren von Peter Higgs vorhergesagt wurde und dessen Entdeckung am CERN 2012 zu einem Nobelpreis für Higgs und Francois Englert führte.

Das Higgs-Boson ist ein seltsames Teilchen: Es ist das zweitschwerste der Standardmodellteilchen und widersteht einer einfachen Erklärung. Es wird oft gesagt, dass es der Ursprung der Masse ist, was wahr, aber irreführend ist. Es gibt Masse zu den Quarks, und Quarks bilden die Protonen und Neutronen, aber nur 2% der Masse von Protonen und Neutronen wird von den Quarks zur Verfügung gestellt, und der Rest ist von der Energie in den Gluonen.

An dieser Stelle haben wir alle für das Standardmodell erforderlichen Teilchen berücksichtigt: sechs Kraftteilchen, 24 Materieteilchen und ein Higgs–Teilchen – insgesamt 31 fundamentale Teilchen. Trotz allem, was wir über sie wissen, wurden ihre Eigenschaften nicht gut genug gemessen, um definitiv sagen zu können, dass diese Teilchen alles sind, was benötigt wird, um das Universum aufzubauen, das wir um uns herum sehen, und wir haben sicherlich nicht alle Antworten. Der nächste Lauf des Large Hadron Collider wird es uns ermöglichen, unsere Messungen einiger dieser Eigenschaften zu verfeinern – aber es gibt noch etwas anderes.

Doch die Theorie ist immer noch falsch

Die schöne Theorie, das Standardmodell, wurde über zwei Jahrzehnte und mehr getestet und erneut getestet; und wir haben noch keine Messung durchgeführt, die unseren Vorhersagen widerspricht. Aber wir wissen, dass das Standardmodell falsch sein muss. Wenn wir zwei fundamentale Teilchen miteinander kollidieren, sind eine Reihe von Ergebnissen möglich. Unsere Theorie erlaubt es uns, die Wahrscheinlichkeit zu berechnen, dass ein bestimmtes Ergebnis eintreten kann, aber bei Energien, über die wir bisher hinausgegangen sind, sagt sie voraus, dass einige dieser Ergebnisse mit einer Wahrscheinlichkeit von mehr als 100% eintreten – eindeutig Unsinn. Theoretische Physiker haben viel Mühe darauf verwendet, eine Theorie zu konstruieren, die auf allen Energien vernünftige Antworten gibt, während sie unter allen Umständen, unter denen das Standardmodell getestet wurde, die gleiche Antwort wie das Standardmodell gibt.

Die häufigste Modifikation impliziert, dass es sehr schwere unentdeckte Partikel gibt. Die Tatsache, dass sie schwer sind, bedeutet, dass viel Energie benötigt wird, um sie zu produzieren. Die Eigenschaften dieser zusätzlichen Teilchen können so gewählt werden, dass die resultierende Theorie bei allen Energien vernünftige Antworten gibt, aber sie haben keinen Einfluss auf die Messungen, die so gut mit dem Standardmodell übereinstimmen.

Die Anzahl dieser unentdeckten und noch unsichtbaren Teilchen hängt davon ab, welche Theorie Sie glauben. Die populärste Klasse dieser Theorien werden supersymmetrische Theorien genannt und sie implizieren, dass alle Teilchen, die wir gesehen haben, ein viel schwereres Gegenstück haben. Wenn sie jedoch zu schwer sind, treten Probleme bei Energien auf, die wir erzeugen können, bevor diese Teilchen gefunden werden. Aber die Energien, die im nächsten Lauf des LHC erreicht werden, sind hoch genug, dass das Fehlen neuer Teilchen allen supersymmetrischen Theorien einen Schlag versetzen wird.