GEORG-AUGUST-UNIVERSIT AT G OTTINGEN II. Physikalisches ...

Im Standardmodell der Elementarteilchen sollten die Materie- und Austauschteilchen zu-
nächst masselos sein - im offensichtlichen Widerspruch zu dem, was man in Experimenten
beobachtet. Eine mögliche Lösung dieses Problems bietet der nach dem schottischen Theo-
retiker Peter W. Higgs benannte „Higgs-Mechanismus“. Diesem zufolge ist das gesamte
Universum - also auch das Vakuum - mit einem Hintergrundfeld erfüllt, dem Higgs-Feld,
unter dessen Einfluss jedes Teilchen seine Masse erhält. Der Theorie nach wird die Masse
durch das Higgs-Boson vermittelt. Nach dem Higgs-Boson wird zurzeit an Beschleuni-
gerexperimenten gesucht, um endgültig klären zu können, woher die Teilchen ihre Masse
bekommen [PDG 06].
Zu jedem in Tabelle 2.1 aufgelisteten Teilchen existiert ein Antiteilchen, das sich durch das
Vorzeichen der Ladung von diesem unterscheidet. Die Neutrinos unterscheiden sich in der
Händigkeit [Pov 06].
Es gibt vier fundamentale Wechselwirkungen: Die schwache, die starke, die elektromagne-
tische und die Gravitation. Diese werden durch Austauschteilchen vermittelt. Das Prinzip
der Wechselwirkung durch Austauschteilchen soll an dem Beispiel zweier reibungsloser
Rollschuhfahrer verdeutlicht werden: Wirft die Person A den Bumerang direkt zu Person
B, dann erfährt A einen der Wurfrichtung entgegengesetzten Impuls. Beim Fangen des Bu-
merangs übernimmt Person B den Impuls des Bumerangs. Beide Personen entfernen sich
voneinander. Wirft Person A den Bumerang auf einer Kreisbahn Richtung Person B und
fängt dieser ihn, nähern sich A und B an. Ein Beobachter, der die Personen, aber nicht
den Bumerang sieht, wird eine abstoßende bzw. anziehende Kraft konstatieren.
Die Wechselwirkungen der Elementarteilchen können durch Quantenfeldtheorien beschrie-
ben werden. Sie verwenden virtuelle Quanten als Austauschteilchen, welche einen ganz-
zahligen Spin haben und somit zu den Bosonen gehören (vgl. Tab. 2.2). Die elektroma-
gnetische Wechselwirkung wird durch die Quantenelektrodynamik mit dem Photon, γ,
als Austauschteilchen beschrieben. Die Quantenflavourdynamik beschreibt die schwache
Wechselwirkung. Ihre Austauschteilchen sind zwei geladene und ein neutrales Boson. Die
Gluonen, g, sind die Bosonen der starken Wechselwirkung, die durch die Quantenchro-
modynamik beschrieben wird. Die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung
wurden in den sechziger Jahren zur elektroschwachen Wechselwirkung zusammengefasst.
Die elektroschwache Wechselwirkung kennt die beiden geladenen Bosonen W − und W + ,
sowie die beiden neutralen Bosonen γ und Z 0 .
Die Gravitation wirkt auf alle massebehafteten Teilchen. Sie besitzt im Vergleich zu den
anderen Wechselwirkungen die geringste Stärke und spielt für den mikroskopischen Bereich
keine Rolle, weswegen sie im Standardmodell nicht beschrieben wird. Als stärkste der vier
Wechselwirkungen wirkt die starke Wechselwirkung auf die Quarks und Gluonen, und ist
für den Zusammenhalt der Nukleonen verantwortlich. Es existieren acht Gluonen, die ne-
ben Energie und Impuls auch Farbladungen tragen. Sie bestehen aus einer Farbe und einer
Antifarbe, sodass sie im Gegensatz zu Photonen miteinander wechselwirken können. Die
Austauschteilchen der starken Wechselwirkung kommen wie die Quarks niemals als einzel-
ne Objekte in der Natur vor, sondern sind Bestandteile farbneutraler, zusammengesetzter
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