Alles in der Natur entspringt einer Handvoll Komponenten – den fundamentalen Teilchen -, die auf nur wenige verschiedene Arten miteinander wechselwirken. In den 1970er Jahren entwickelten Physiker eine Reihe von Gleichungen, die diese Teilchen und Wechselwirkungen beschreiben. Zusammen bildeten die Gleichungen eine prägnante Theorie, die heute als das Standardmodell der Teilchenphysik bekannt ist.
Dem Standardmodell fehlen noch einige Puzzlestücke (auffällig sind die vermeintlichen Teilchen, aus denen die dunkle Materie besteht, die Teilchen, die die Gravitationskraft vermitteln, und eine Erklärung für die Masse der Neutrinos), aber es liefert ein äußerst genaues Bild von fast allen anderen beobachteten Phänomenen.
Doch für einen Rahmen, der unser bestes Verständnis der fundamentalen Ordnung der Natur zusammenfasst, fehlt dem Standardmodell noch immer eine kohärente Visualisierung. Die meisten Versuche sind zu einfach, ignorieren wichtige Zusammenhänge oder sind unübersichtlich und erdrückend.
Betrachten Sie die gängigste Visualisierung, die ein Periodensystem von Teilchen zeigt:
Dieser Ansatz bietet keinen Einblick in die Beziehungen zwischen den Teilchen. Die kraftübertragenden Teilchen (nämlich das Photon, das die elektromagnetische Kraft vermittelt; die W- und Z-Bosonen, die die schwache Kraft vermitteln; und die Gluonen, die die starke Kraft vermitteln) werden auf die gleiche Stufe gestellt wie die Materieteilchen, zwischen denen diese Kräfte wirken – Quarks, Elektronen und Konsorten. Außerdem werden Schlüsseleigenschaften wie „Farbe“ weggelassen.
Eine andere Darstellung wurde für den Film „Teilchenfieber“ von 2013 entwickelt:
Während diese Visualisierung die Zentralität des Higgs-Bosons – dem Dreh- und Angelpunkt des Standardmodells – aus Gründen, die weiter unten erläutert werden, richtig hervorhebt, wird das Higgs neben das Photon und das Gluon gestellt, obwohl das Higgs diese Teilchen in Wirklichkeit nicht beeinflusst. Und die Quadranten des Kreises sind irreführend – sie implizieren z.B., dass das Photon nur an die Teilchen koppelt, die es berührt, was nicht der Fall ist.
Ein neuer Ansatz
Chris Quigg, ein Teilchenphysiker am Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois, hat seit Jahrzehnten darüber nachgedacht, wie man das Standardmodell visualisieren könnte, in der Hoffnung, dass eine aussagekräftigere visuelle Darstellung helfen würde, die Menschen mit den bekannten Teilchen der Natur vertraut zu machen und sie dazu zu bringen, darüber nachzudenken, wie diese Teilchen in einen größeren, vollständigeren theoretischen Rahmen passen könnten. Quiggs visuelle Darstellung zeigt mehr von der zugrunde liegenden Ordnung und Struktur des Standardmodells. Er nennt sein Schema die „Doppel-Simplex“-Darstellung, weil die linkshändigen und rechtshändigen Teilchen der Natur jeweils ein Simplex bilden – eine Verallgemeinerung eines Dreiecks. Wir haben Quiggs Schema übernommen und weiter modifiziert.
Lassen Sie uns das Doppelsimplex von Grund auf neu aufbauen.
Quarks an der Unterseite
Materieteilchen gibt es in zwei Hauptsorten, Leptonen und Quarks. (Beachten Sie, dass es für jede Art von Materieteilchen in der Natur auch ein Antimaterieteilchen gibt, das die gleiche Masse hat, aber in jeder anderen Hinsicht entgegengesetzt ist. Wie andere Visualisierungen des Standardmodells auch, lassen wir die Antimaterie aus, die ein separates, invertiertes Doppelsimplex bilden würde.)
Beginnen wir mit den Quarks, insbesondere mit den beiden Arten von Quarks, aus denen die Protonen und Neutronen in den Atomkernen bestehen. Das sind das up-Quark, das zwei Drittel einer Einheit elektrischer Ladung besitzt, und das down-Quark, mit einer elektrischen Ladung von -1/3.
Up- und Down-Quarks können entweder „linkshändig“ oder „rechtshändig“ sein, je nachdem, ob sie sich im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn in Bezug auf ihre Bewegungsrichtung drehen.
Schwacher Wechsel
Linkshändige Up- und Down-Quarks können sich über eine Wechselwirkung, die sogenannte schwache Kraft, ineinander verwandeln. Dies geschieht, wenn die Quarks ein Teilchen austauschen, das W-Boson genannt wird – einer der Träger der schwachen Kraft, mit einer elektrischen Ladung von entweder +1 oder -1. Diese schwache Wechselwirkung wird durch die orangefarbene Linie dargestellt:
Erstaunlicherweise gibt es in der Natur keine rechtshändigen W-Bosonen. Das bedeutet, dass rechtshändige Up- und Down-Quarks keine W-Bosonen emittieren oder absorbieren können, sie wandeln sich also nicht ineinander um.
Starke Farben
Quarks besitzen auch eine Art von Ladung, die man Farbe nennt. Ein Quark kann entweder eine rote, grüne oder blaue Farbladung haben. Die Farbe eines Quarks macht es empfindlich für die starke Kraft.
Die starke Kraft bindet Quarks verschiedener Farben zu zusammengesetzten Teilchen wie Protonen und Neutronen zusammen, die „farblos“ sind, ohne Nettoladung.
Quarks verwandeln sich von einer Farbe in eine andere, indem sie Teilchen namens Gluonen, die Träger der starken Kraft, absorbieren oder emittieren. Diese Wechselwirkungen bilden die Seiten eines Dreiecks. Da Gluonen selbst eine Farbladung besitzen, wechselwirken sie ständig miteinander und auch mit Quarks. Die Wechselwirkungen zwischen Gluonen füllen das Dreieck aus.