Das Standardmodell ist eine Sache der Schönheit. Es ist die strengste Theorie der Teilchenphysik, unglaublich präzise und genau in ihren Vorhersagen. Es legt die 17 Bausteine der Natur mathematisch dar: sechs Quarks, sechs Leptonen, vier Kraftträgerteilchen und das Higgs-Boson. Diese werden von der elektromagnetischen, schwachen und starken Kraft beherrscht.
„Auf die Frage ‚Was sind wir?‘ hat das Standardmodell die Antwort“, sagt Saúl Ramos, Forscher an der Nationalen Autonomen Universität von Mexiko (UNAM). „Es sagt uns, dass jedes Objekt im Universum nicht unabhängig ist und dass jedes Teilchen aus einem bestimmten Grund da ist.“
In den letzten 50 Jahren hat ein solches System den Wissenschaftlern erlaubt, die Teilchenphysik in eine einzige Gleichung zu integrieren, die das meiste von dem erklärt, was wir in der Welt um uns herum sehen können.
Trotz seiner großen Vorhersagekraft lässt das Standardmodell jedoch fünf entscheidende Fragen unbeantwortet, weshalb Teilchenphysiker wissen, dass ihre Arbeit noch lange nicht getan ist.
Warum haben Neutrinos Masse?
Drei der Teilchen des Standardmodells sind verschiedene Arten von Neutrinos. Das Standardmodell sagt voraus, dass Neutrinos, wie Photonen, keine Masse haben sollten.
Wissenschaftler haben jedoch herausgefunden, dass die drei Neutrinos oszillieren oder sich ineinander verwandeln, wenn sie sich bewegen. Dieses Kunststück ist nur möglich, weil Neutrinos eben doch nicht masselos sind.
„Wenn wir die Theorien verwenden, die wir heute haben, bekommen wir die falsche Antwort“, sagt André de Gouvêa, Professor an der Northwestern University.
Das Standardmodell hat die Neutrinos falsch eingeschätzt, aber es ist noch nicht klar, wie falsch. Schließlich sind die Massen, die Neutrinos haben, recht klein.
Ist das alles, was das Standardmodell übersehen hat, oder gibt es noch mehr, was wir über Neutrinos nicht wissen? Einige experimentelle Ergebnisse deuten zum Beispiel darauf hin, dass es eine vierte Art von Neutrinos geben könnte, die wir noch nicht entdeckt haben.
Was ist dunkle Materie?
Wissenschaftler erkannten, dass sie etwas übersehen hatten, als sie bemerkten, dass sich Galaxien viel schneller drehten, als sie es aufgrund der Anziehungskraft ihrer sichtbaren Materie sollten. Sie drehten sich so schnell, dass sie sich selbst hätten auseinanderreißen müssen. Etwas, das wir nicht sehen können und das die Wissenschaftler als „dunkle Materie“ bezeichnet haben, muss diesen Galaxien zusätzliche Masse – und damit Anziehungskraft – verleihen.
Die dunkle Materie soll 27 Prozent des Inhalts des Universums ausmachen. Sie ist jedoch nicht im Standardmodell enthalten.
Wissenschaftler suchen nach Möglichkeiten, diese mysteriöse Materie zu untersuchen und ihre Bausteine zu identifizieren. Wenn Wissenschaftler zeigen könnten, dass die dunkle Materie in irgendeiner Weise mit der normalen Materie interagiert, „bräuchten wir immer noch ein neues Modell, aber es würde bedeuten, dass das neue Modell und das Standardmodell miteinander verbunden sind“, sagt Andrea Albert, eine Forscherin am SLAC National Laboratory des US-Energieministeriums, die die dunkle Materie unter anderem am High-Altitude Water Cherenkov Observatory in Mexiko untersucht. „Das wäre ein riesiger Game Changer.“
Warum gibt es so viel Materie im Universum?
Wenn ein Materieteilchen entsteht – zum Beispiel bei einer Teilchenkollision im Large Hadron Collider oder beim Zerfall eines anderen Teilchens -, kommt normalerweise sein Antimaterie-Gegenstück mit ins Spiel. Wenn gleiche Materie- und Antimaterieteilchen aufeinandertreffen, vernichten sie sich gegenseitig.
Wissenschaftler vermuten, dass bei der Entstehung des Universums im Urknall Materie und Antimaterie zu gleichen Teilen entstanden sein müssten. Irgendein Mechanismus bewahrte Materie und Antimaterie jedoch vor der üblichen totalen Zerstörung, und das Universum um uns herum wird von Materie dominiert.
Das Standardmodell kann das Ungleichgewicht nicht erklären. Viele verschiedene Experimente untersuchen Materie und Antimaterie auf der Suche nach Hinweisen darauf, was den Ausschlag gegeben hat.
Warum beschleunigt sich die Ausdehnung des Universums?
Bevor Wissenschaftler die Ausdehnung unseres Universums messen konnten, vermuteten sie, dass sie nach dem Urknall schnell begonnen und sich dann im Laufe der Zeit verlangsamt hatte. Daher war es ein Schock, dass sich die Expansion des Universums nicht nur nicht verlangsamt, sondern sogar beschleunigt hat.
Die neuesten Messungen des Hubble-Weltraumteleskops und des Observatoriums Gaia der Europäischen Weltraumorganisation zeigen, dass sich Galaxien mit 45 Meilen pro Sekunde von uns wegbewegen. Diese Geschwindigkeit vervielfacht sich für jedes zusätzliche Megaparsec, eine Entfernung von 3,2 Millionen Lichtjahren, relativ zu unserer Position.
Diese Geschwindigkeit wird vermutlich durch eine ungeklärte Eigenschaft der Raumzeit namens dunkle Energie verursacht, die das Universum auseinander drückt. Man nimmt an, dass sie etwa 68 Prozent der Energie im Universum ausmacht. „Das ist etwas sehr Fundamentales, das niemand vorhersehen konnte, wenn man nur das Standardmodell betrachtet“, sagt de Gouvêa.
Ist ein Teilchen mit der Gravitationskraft verbunden?
Das Standardmodell wurde nicht entwickelt, um die Gravitation zu erklären. Diese vierte und schwächste Kraft der Natur scheint keinen Einfluss auf die subatomaren Wechselwirkungen zu haben, die das Standardmodell erklärt.
Aber theoretische Physiker denken, dass ein subatomares Teilchen, das Graviton genannt wird, die Gravitation auf die gleiche Weise übertragen könnte, wie Teilchen, die Photonen genannt werden, die elektromagnetische Kraft übertragen.
„Nachdem die Existenz von Gravitationswellen durch LIGO bestätigt wurde, fragen wir nun: Was ist die kleinste mögliche Gravitationswelle? Das ist so ähnlich wie die Frage, was ein Graviton ist“, sagt Alberto Güijosa, Professor am Institut für Nuklearwissenschaften der UNAM.
Mehr zu erforschen
Diese fünf Rätsel sind die großen Fragen der Physik im 21. Jahrhundert, sagt Ramos. Doch es gibt noch mehr fundamentale Rätsel, sagt er: Was ist die Quelle der Raum-Zeit-Geometrie? Woher bekommen die Teilchen ihren Spin? Warum ist die starke Kraft so stark, während die schwache Kraft so schwach ist?
Es gibt noch viel zu erforschen, sagt Güijosa. „Selbst wenn wir am Ende eine endgültige und perfekte Theorie von allem in den Händen halten, würden wir immer noch Experimente in verschiedenen Situationen durchführen, um ihre Grenzen zu verschieben.“
„Es ist ein sehr klassisches Beispiel für die wissenschaftliche Methode in Aktion“, sagt Albert. „Mit jeder Antwort kommen mehr Fragen; nichts ist jemals fertig.“