StandardmodellGaugeTheorien

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist eine Quantenfeldtheorie, die die elektromagnetische, die starke und die schwache Wechselwirkung beschreibt. Es basiert auf der Eichsymmetriegruppe SU(3)C × SU(2)L × U(1)Y und umfasst drei Generationen von Fermionen (Quarks und Leptonen). Die an den Wechselwirkungen beteiligten Eichbosonen sind Photon, W±- und Z-Bosonen sowie Gluonen; als Skalarzustand tritt das Higgs-Feld auf, dessen Quant das Higgs-Boson ist.

Die Wechselwirkungen werden durch die jeweiligen Eichbosonen vermittelt: Photonen für die Elektromagnetik, W± und Z für die schwache Wechselwirkung und Gluonen für die starke Wechselwirkung. Die Massen der W- und Z-Bosonen sowie der Fermionen entstehen durch die Kopplung an das Higgs-Feld (Yukawa-Kopplungen); Photon und Gluonen bleiben masselos. Im ursprünglichen Modell waren Neutrinos masselos, doch Neutrino-Massen und -Mischung wurden experimentell nachgewiesen, was Erweiterungen des Modells nahelegt.

Experimentell steht das Standardmodell außerordentlich gut im Einklang mit Beobachtungen. Die W-, Z-Bosonen sowie der Top-Quark und das Higgs-Boson wurden nachgewiesen, und Messungen stimmen mit Vorhersagen überein. Dennoch deuten Neutrino-Oszillationen auf zusätzliche Physik hin, und Gravitation bleibt außerhalb des Modells. Das Standardmodell erklärt Dunkle Materie, Dunkle Energie und die Baryonenasymmetrie nicht und gilt nicht als vollständige Theorie der Natur.

Zukünftige Entwicklungen zielen darauf ab, das Spektrum der Teilchen und Wechselwirkungen zu vervollständigen. Viele Theorienansätze jenseits des Modells, wie Supersymmetrie, Grand-Unified-Theories oder Extra-Dimensionen, werden erforscht. Experimente am LHC, Neutrino-Experimenten und astrophysikalische Beobachtungen testen kontinuierlich die Grenzen des Standardmodells.