Standardmodell

Alles, was wir anfassen können, besteht aus wenigen Grundbausteinen. Das Standardmodell ist die wissenschaftliche Beschreibung dieser Bausteine und der Kräfte, die zwischen ihnen wirken. Es zählt zwölf verschiedene Materieteilchen auf, dazu einige Teilchen, die Kräfte übertragen. Aus diesen wenigen Zutaten lassen sich Atome, Moleküle und damit die gesamte gewöhnliche Materie zusammensetzen. Das Modell ist seit den 1970er Jahren gewachsen und wurde seither in unzähligen Experimenten geprüft. Bis heute hat kein Versuch es eindeutig widerlegt.

Die genaueste Theorie, die die Physik je hatte

Der Ruf des Standardmodells beruht auf seiner Genauigkeit. Manche seiner Vorhersagen stimmen mit Messungen auf zehn Stellen hinter dem Komma überein. Das ist etwa so, als würde man die Entfernung Hamburg–München auf die Breite eines Haares genau vorhersagen. Keine andere Theorie der Naturwissenschaft ist so präzise überprüft worden.

Es hat außerdem Teilchen vorhergesagt, die noch niemand gesehen hatte. Das bekannteste ist das Higgs-Teilchen, ein Baustein, der erklärt, warum andere Teilchen überhaupt Masse haben. 1964 wurde es theoretisch beschrieben, 2012 am Forschungszentrum CERN in Genf tatsächlich nachgewiesen. Fast fünfzig Jahre zwischen Rechnung und Fund sind ein starkes Argument für ein Modell.

Wichtig ist aber auch, was das Standardmodell nicht leistet. Die Schwerkraft kommt darin gar nicht vor. Ebenso wenig erklärt es die sogenannte Dunkle Materie, also unsichtbaren Stoff, dessen Anziehungskraft Astronomen an Galaxien beobachten. Physiker suchen deshalb nach Effekten, die das Modell nicht erklären kann. Solche Abweichungen wären kein Skandal, sondern der Wegweiser zu einer besseren Theorie.

Zwölf Bausteine und vier Kräfte

Die Materieteilchen zerfallen in zwei Familien. Quarks sind die Bausteine von Protonen und Neutronen, also von Atomkernen. Leptonen sind die zweite Familie, ihr bekanntester Vertreter ist das Elektron. Von jeder Sorte gibt es sechs Varianten, zusammen also zwölf. Die schwereren davon sind instabil und zerfallen fast sofort, sie tauchen nur in Teilchenbeschleunigern oder in der kosmischen Strahlung auf.

Kräfte werden im Standardmodell durch eigene Teilchen übertragen, die zwischen den Bausteinen ausgetauscht werden. Man kann sich das wie zwei Menschen auf Skateboards vorstellen, die einen Ball hin und her werfen und sich dadurch bewegen. Das Photon, also das Lichtteilchen, überträgt die elektromagnetische Kraft. Die starke Kraft hält Atomkerne zusammen, die schwache Kraft steckt hinter bestimmten Formen der Radioaktivität. Die Schwerkraft fehlt in dieser Aufzählung, weil bisher niemand sie in dieselbe Sprache übersetzen konnte.

Geprüft wird das alles vor allem in Beschleunigern. Dort bringt man Teilchen fast auf Lichtgeschwindigkeit und lässt sie zusammenstoßen. Aus der Energie des Aufpralls entstehen kurzlebige neue Teilchen. Detektoren zeichnen deren Spuren auf, und aus diesen Daten rechnet man zurück, was passiert ist.

Vom Beschleuniger in die Schlagzeilen

Im Alltag begegnet dir das Standardmodell meist indirekt. Der Physikunterricht der Oberstufe behandelt Quarks und Leptonen, und jede Erklärung von Radioaktivität greift auf die schwache Kraft zurück. Auch die Medizin profitiert: Bildgebende Verfahren in Krankenhäusern nutzen Antiteilchen, deren Existenz das Modell beschreibt.

In den Nachrichten taucht der Begriff auf, wenn Messungen nicht ganz passen. Ein Beispiel ist das Myon, ein schwererer Verwandter des Elektrons. Sein magnetisches Verhalten wich in Experimenten jahrelang leicht von der Rechnung ab. Solche Meldungen werden gern als Riss im Standardmodell betitelt, verschwinden aber oft wieder, wenn Messung oder Rechnung genauer werden.

Ein Hinweis zur Verwechslungsgefahr: In der Wirtschaft und in der Technik meint Standardmodell oft einfach die Grundausstattung eines Produkts. In der Physik ist der Begriff dagegen ein feststehender Name für diese eine Theorie. Wer über Teilchenphysik liest, sollte ihn nicht als Fertigmodell nach Schema F missverstehen.