Physik

Themenbereiche der modernen Physik

Teilchenphysik

Die Teilchenphysik befasst sich mit Elementarteilchen und ihren Wechselwirkungen untereinander. Die moderne Physik kennt die folgenden vier Grundkräfte:

• Die Gravitation oder Schwerkraft,
• die elektromagnetische Wechselwirkung,
• die schwache Wechselwirkung, die beispielsweise für bestimmte radioaktive Zerfallsprozesse verantwortlich ist und
• die starke Wechselwirkung, die die Atomkerne zusammenhält.

Diese Wechselwirkungen werden durch den Austausch sogenannter Eichbosonen beschrieben. Die Teilchenphysik klammert dabei die Gravitation derzeit (2009) aus, da es noch keine Theorie der Quantengravitation gibt, die die gravitativen Wechselwirkungen von Elementarteilchen vollständig beschreiben kann. In der Teilchenphysik werden relativistische Quantentheorien zur Beschreibung der Phänomene verwendet.

Eines der Ziele der Teilchenphysik ist es, alle Grundkräfte in einem vereinheitlichten Gesamtkonzept zu beschreiben (Weltformel). Bisher ist es jedoch lediglich gelungen, die elektromagnetische Wechselwirkung als Vereinigung der elektrischen und der magnetischen Wechselwirkung darzustellen und ebenso die elektromagnetische Wechselwirkung und die schwache Wechselwirkung zu einer sogenannten elektroschwachen Wechselwirkung zu vereinigen. Zur Vereinigung der elektroschwachen und der starken Wechselwirkung wurde unter anderem die Theorie der Supersymmetrie erdacht, die bislang jedoch nicht experimentell bestätigt werden konnte. Die größten Schwierigkeiten treten wie bereits erwähnt im Bereich der Gravitationskraft auf, da noch keine Theorie der Quantengravitation vorliegt, aber Elementarteilchen nur im Rahmen der Quantentheorie beschrieben werden können.

Typische Experimente zur Überprüfung der Theorien der Teilchenphysik werden an Teilchenbeschleunigern mit hohen Teilchenenergien durchgeführt. Um hohe Kollisionsenergien zu erreichen, werden dabei vor allem Collider-Experimente eingesetzt, bei denen Teilchen gegeneinander und nicht auf ein festes Ziel geschossen werden. Daher wird der Begriff der Hochenergiephysik oft nahezu deckungsgleich mit dem Begriff der Teilchenphysik verwendet. Der Teilchenbeschleuniger mit der derzeit (2011) höchsten Kollisionsenergie ist der Large Hadron Collider. Neutrinodetektoren wie der Super-Kamiokande sind speziell zur Erforschung der Eigenschaften von Neutrinos konzipiert und stellen damit eine zwar spezielle, aber dennoch bedeutende Experimentklasse dar.

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