Bestätigungen des Standardmodells

Die vier Wechselwirkungen - Experimentelle Bestätigungen des Standard-Modells

Wie lässt sich ein physikalisches Modell bestätigen?

Prinzipiell natürlich so, indem man alle seine Vorhersagen mit der Realität vergleicht. Stimmen sie überein, so wird das Modell zumindest für den überprüften Bereich richtig sein. Natürlich können in der Praxis nicht alle Vorhersagen eines Modells überprüft werden, so dass man sich auf bestimmte

Prüfpunkte beschränkt. Im Folgenden sollen zwei Beispiele für Messungen gezeigt werden, die explizit zum Vergleich verschiedener Theorien gemacht wurden. Die Messergebnisse sind - soviel sei schon hier verraten - beeindruckende Bestätigungen des Standardmodells bzw. der QCD.

Im ersten Beispiel geht es um eine Vorhersage des Standardmodells über mögliche Prozesse bei einer e⁺-e^--Annihilation. Bei sehr hohen Schwerpunktsenergien (ab ca. 160 GeV) wird die Reaktion e⁺+ e^-à W⁺+W^- möglich. Die Reaktion kann elektromagnetisch über Photon- Austausch geschehen (siehe Feynman- Diagramm rechts). Das Diagramm hat aber einen entscheidenden Haken, sein Beitrag zum Gesamtprozess, der mit dem Feynman-Kalkül berechnet werden
		kann, divergiert bzw. wird unendlich groß. Das bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, mit der dieser Prozess stattfindet (die zwischen 0 und 1 liegen muss!) natürlich viel zu groß wird. Es liegt offenbar ein Fehler vor.

Man sucht nun nach Prozessen, die zwar die gleiche Teilchenreaktion beschreiben, aber über eine andere Wechselwirkung ablaufen. Man hofft dabei darauf, dass diese Prozesse bei der theoretischen Berechnung mit dem Feynman-Kalkül einen Beitrag zum Gesamtprozess leisten, der den der ersten Reaktion

kompensiert. Eine Möglichkeit hierzu ist der Austausch eines Elektron- Neutrinos n_e (siehe Feynman- Diagramm rechts). Aber auch dieser Prozess kann den Beitrag des elektromagnetischen Prozesses nicht kompensieren.

weiterer möglicher Prozess über Neutrino-Austausch

Um die Divergenz des elektromagnetischen Beitrags zu kompensieren, muss eine weitere Reaktionsmöglichkeit ähnlicher "Stärke" existieren. Das Standardmodell lässt dazu einen schwachen Prozess über das dritte schwache Austauschboson, das Z⁰ zu. In diesem Diagramm kommt ein sogenannter ZWW-Vertex vor (d.h. ein Vertex, an dem alle drei Autausch- bosonen der schwachen WW beteiligt sind!; siehe Feynman-Diagramm rechts). Erstaunlich ist nun, dass der Beitrag dieses Prozesses zusammen mit dem elektromagnetischen Prozess wieder einen endlichen Wert ergibt. Man benötigt also den ZWW-Vertex, um den
		Gesamtbeitrag erklären zu können. Mit dem Feynman-Kalkül kann der Gesamtbeitrag und damit der Wirkungsquerschnitt s_WW des Gesamtprozesses berechnet werden.

Dies wurde nun auf drei verschiedene Weisen gemacht. Einmal im Rahmen des Standardmodells (alle drei Prozesse), einmal unter der Vorgabe, dass es keinen ZWW-Vertex gibt, und einmal unter der Vorgabe, dass es nur den n_e-Austausch gibt. Um die drei Vorhersagen zu überprüfen, wurde der tatsächliche Wirkungsquerschnitt s_WW experimentell mit LEP am CERN gemessen. Das erstaunliche Ergebnis ist in folgendem Diagramm dargestellt: Die Verläufe des Wirkungsquerschnitts sind je nach Vorhersagemodell grün, blau und rot eingezeichnet. Das Messergebnis von LEP zeigen die beiden schwarzen Punkte. Es bestätigt das Standardmodell und damit den ZWW-Vertex.

Die Messung mit LEP bestätigt das Standardmodell

Grafik von CERN, Geneva