Im Wechselspiel zwischen vielen experimentellen Ergebnissen und verschiedenen theoretischen Modellen ist in mehreren Schritten zwischen 1961 und 1973 das "Standardmodell der Teilchenphysik" entstanden. Obwohl es diesen bescheidenen Namen behalten hat, gilt es heute, über 40 Jahre später, als die bisher tiefste Erkenntnis, die die Naturwissenschaft über Entstehung, Aufbau und Verhalten der Materie in unserem Universum hervorgebracht hat. Alle bisher beobachteten subatomaren Vorgänge entsprechen perfekt den Vorhersagen des Standardmodells.
Eichsymmetrien als Basis
Joachim Herz Stiftung
Die revolutionäre Erkenntnis des Standardmodells besteht nun darin, dass sich diese Beziehungen eindeutig auf Symmetrien zurückführen lassen. Dabei versteht man unter einer Symmetrie einen Vorgang, dessen Anwendung wirkungslos bleibt. Dreht man z.B. einen Kreis, so sieht er danach noch genauso aus. Man sagt ein Kreis sei "rotationssymmetrisch". Das Standardmodell hat erkannt, dass die Natur versucht, so perfekt flexibel zu sein, dass überall unterschiedlich stattfindende "lokale Umeichungen" von Ladungen komplett wirkungslos sind. Deshalb heißt das grundlegende Prinzip des Standardmodells und damit des Aufbaus unserer Welt auch "Lokale Eichsymmetrie". Wie man sich diese Eichsymmetrien als Drehungen vorstellen kann, lernt man in einem Physik- oder Mathematikstudium. Faszinierend dabei ist aber, dass aus solchen lokalen Symmetrien immer Wechselwirkungen entstehen, deren Eigenschaften sich komplett aus den Symmetrien vorhersagen lassen.
Eine Fußball-Analogie
Stelle dir mal vor, jedes Teilchen wäre ein Fußballverein der Bundesliga und die Ladungen deren Trainer. Auf die Bundesliga angewandt wäre eine lokale Umeichung (Rotation der Trainer) dann, wenn sich diese an jedem Ort anders ändern: Tuchel geht von Mainz nach Bayern, Guardiola von Bayern zu Dortmund, Klopp von Dortmund zu Schalke u.s.w. Und Trainer-eichsymmetrisch wäre die Bundesliga, wenn dann alle Spiele trotzdem genau dasselbe Ergebnis liefern würden wie ohne die Trainierrotation. Bei Teilchen funktioniert das! Aber es macht Wechselwirkungen zwischen den Teilchen nötig. In der Bundesliga wäre das ähnlich, denn die Trainer der Vereine müssten sich z.B. über WhatsApp unterhalten, die Vereine also miteinander wechselwirken: Tuchel müsste Guardiola fragen, "Hi, wie verhindere ich denn am besten, dass der Schweini nur Fehlpässe spielt?" Das Großartige an diesen Eichsymmetrien ist, dass sie ganz genau vorschreiben, über welche Medien (Botenteilchen) die Unterhaltungen (Wechselwirkungen) zwischen den Vereinen (Teilchen) ablaufen und helfen, sie anhand ihrer Trainer (Ladungen) in Kategorien wie Bundesliga oder zweite Liga (Quarks oder Leptonen) einzuteilen.