Physik compact, Basiswissen 8, Schulbuch

79 22.7 Elementarteilchen Der Higgsmechanismus Bei hohen Temperaturen (frühes Universum) sind in der elektroschwachen Theorie alle Teilchen masselos. Photonen und W + /W – bzw. Z 0 -Teilchen wirken gleich stark („elektroschwache Vereinheitlichung“) – im Un- terschied zu heute, wo die W + /W – bzw. Z 0 -Teilchen Massen im Bereich von 100GeV und somit nur eine sehr geringe Reichweite haben und die „schwache Kraft“ tatsächlich viel schwächer ist als die elektroma- gnetische. Die Teilchen erhalten ihre Masse durch das Higgs- Feld . Es wechselwirkt mit den Teilchen und „erzeugt“ ihre Masse (Abb. 79.1). Die Wechselwirkung ist temperaturabhängig und wirkt erst in Bereichen unterhalb von 10 13 K (dies entspricht einer Energie von etwa 100 GeV) – nach dem Urknall kam es in diesen Temperaturbereich zur Symmetriebrechung (siehe auch Abb. 95.1 und 96.1). 2012 war das Higgsteilchen das einzige noch nicht experimentell nachgewiesene Teilchen das Standard- modells, ein möglicher Kandidat wurde beim CERN gefunden. A1 Erkundige dich nach dem aktuellen Stand! Jenseits des Standardmodells Obwohl das Standardmodell der Elementarteilchen (ergänzt um die Allgemeine Relativitätstheorie für die Gravitation), bisher sehr erfolgreich ist, die Naturphä- nomene zu beschreiben, sind doch wesentliche Fra- gen offen (siehe Seite 74). Insbesondere die große Zahl der Teilchen (Materie: 6 Quarks und 6 Leptonen; Kräfte: Photon, W + /W – , Z 0 , 22.7.4 22.7.5 Graviton; Massenentstehung: Higgs-Boson) mit ihren nicht aus der Theorie vorhersagbaren Eigenschaften (zB Masse, Ladung) ist unbefriedigend. Auch fehlt noch eine Vereinheitlichung der elektro- schwachen Kraft mit der starken Kraft („Grand Uni- fied Theory“, GUT) und schließlich mit der Gravitation („Theory Of Everything, TOE). Der erste Schritt wurde mit Theorien gemacht, die Quarks und Leptonen gleichberechtigt beschreiben (GUT). In diesen Theorien gibt es „Austauschteilchen“ zwischen Quarks und Leptonen („Leptoquarks“), wor- aus der Zerfall des Protons folgt (Halbwertszeit > 10 31 Jahre). Die einfachsten Modelle wurden durch die län- gere Lebenszeit des Protons bereits ausgeschlossen. A2 Überlege. Wie könnte man eine derart lange Halb- wertszeit messen? Erkundige dich nach Experimen- ten! Die Modelle wurden durch die „Supersymmetrie“ verbessert. Jedes Teilchen bekommt dabei einen Part- ner, dessen Spin sich um½ ħ unterscheidet (die neuen Spin-½-Teilchen bekommen die Endung –ino“ zB Pho- ton - Phot ino , die neuen Spin-0-Teilchen ein „s“ vor den Namen zB Elektron – S elektron; Abb. 79.2). Keines dieser Teilchen wurde bisher gefunden. Die „Superstringtheorie“ berücksichtigt auch die Gravitation. In dieser Theorie gibt es keine Teilchen, sondern Fäden (Saiten, „Strings“; Länge etwa 10 –35 m). Die verschiedenen Schwingungszustände entspre- chen den einzelnen Teilchen. Bisher gibt es noch kei- ne experimentell überprüfbare Vorhersage. A3 Informiere dich über historische Versuche, Welt- formeln zu finden (zB Kaluza-Klein; „Einheitliche Feld- theorie“ von Einstein bzw. Heisenberg)! Abb. 79.1 Ein Star (masseloses Teilchen) besucht eine Party (Higgs-Feld). Sofort ist die berühmte Persönlichkeit von Gästen umringt (Wechselwirkung Higgs-Feld – Teilchen) und kommt nur mehr schwer vorwärts. Sie ist „träger“ geworden. Quark 1/2 Gluon 1 W-Boson 1 Elektron 1/2 Squark 0 Gluino 1/2 Wino 1/2 Selektron 0 Teilchen SUSY-Teilchen Abb. 79.2 Einige supersymmetrische Partner TH8/K5.2 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Ve lags öbv