Standardmodell der Elementarteilchenphysik

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik beschreibt erfolgreich die grundlegendsten Elemente der Materie und ihre Wechselwirkungen.

Obwohl wir die Elementarteilchen, und wie sich deren Kräfte auswirken, sehr gut verstehen, bleiben aber dennoch einige Rätsel offen, welche bislang noch nicht mit dem Standardmodell erklärt werden:

• Die wichtigste Herausforderung ist es, die Gravitation als eine der vier Grundkräfte (Elektromagnetische Wechselwirkung, Schwache Wechselwirkung, Starke Wechselwirkung, Gravitation) in das Standardmodell der Elementarteilchenphysik zu integrieren.
  
  
  Die Energie des Teilchenbeschleunigers LHC ist jedoch noch immer viel zu niedrig, um die Fragen der Quantengravitation letztlich zu beantworten, denn es müssten hierzu die Größenordnungen der Planck-Länge (10^-35m) experimentell untersucht werden können.

• Eine weitere Herausforderung ist es, die Art und Weise zu verstehen, wie die Masse der Elementarteilchen entsteht. Der Wert der Masse eines Teilchens gibt an, wie viel Energie das Teilchen im Ruhezustand besitzt. Die Experimentalphysik hat die Masse der Elementarteilchen zwar gemessen, aber die einfachen Regeln der Physik erklären bislang nicht, woher diese Massen kommen.
  Es wird vermutet, dass in der Frühzeit des Universums ein Phasenübergang (vergleichbar "dampfförmig-flüssig" bei der Kondensation von Wasser) stattgefunden hat, den die Physiker Higgs-Mechanismus nennen. Während ursprünglich die Teilchen keine Masse hatten und mit Lichtgeschwindigkeit umherflogen, erhielten sie dann - während dieses Phasenübergangs der mit dem Higgs-Feld in Zusammenhang steht - ihre Masse und bewegten sich nun langsamer. Der experimentelle Nachweis des Higgs-Teilchens belegt die Existenz des Higgs-Mechanismus ("Phasenübergangs").

• Während der Higgs-Mechanismus erklärt, wie Elementarteilchen ihre Masse erhalten, beschäftigt sich das Hierarchieproblem der Elementarteilchenphysik mit der Frage, warum diese Massen so sind, wie sie von der Experimentalphysik gemessen werden. Durch Kombination von Quantenmechanik und spezieller Relativitätstheorie lassen sich Teilchenmassen theoretisch herleiten, aber das Problem dabei ist, dass diese Berechnungen Werte ergeben, die um das 10-Trillionen-fache (Faktor 10¹⁶) größer sind, als die experimentellen Messungen der Teilchenmassen ergeben. Es ist daher wahrscheinlich, dass es noch eine umfassendere Theorie geben muss, die das Hierarchieproblem löst. Es wäre z.B. denkbar, dass der Raum mehr als die drei von uns wahrgenommenen Dimensionen (Höhe, Breite, Tiefe) umfasst. Die experimentelle Entdeckung von Kaluza-Klein-Teilchen durch das LHC könnte solche zusätzlichen, höheren Dimensionen beweisen.