Elementarteilchenphysik"

Das heutige Universum hat eine lange Geschichte mit einer ziemlich turbulenten Kindheit hinter sich. In seiner Entwicklung seit dem Urknall durchlief es die kosmologischen Phasenübergänge der elektroschwachen Theorie und der Quantenchromodynamik (QCD). Diese Phasenübergänge transformierten die Welt von einem Zustand, in dem die Elementarteilchen masselos und die Quarks frei waren, in den jetzigen Zustand mit massiven Quarks und Elektronen in stark gebundenen Protonen und Neutronen. Wir glauben, dass diese komplizierten Strukturen durch die Kräfte zwischen einer nur kleinen Anzahl von elementaren Teilchen beschrieben werden kann: den sechs Quarks, den drei Leptonen mit den drei zugehörigen Neutrinos und den Teilchen, die die Kräfte zwischen ihnen vermitteln. Es ist eine der faszinierenden Eigenschaften der Elementarteilchenphysik, dass die Vielzahl physikalischer Phänomene, die in Experimenten beobachtet werden, durch nur zwei Wechselwirkungen beschrieben werden kann: die elektroschwache und die starke Wechselwirkung. Unsere theoretische Beschreibung dieser Wechselwirkungen ist im so genannten Standardmodell zusammengefasst, das aus der elektroschwachen Theorie und der Quantenchromodynamik besteht. Es sollte allerdings nicht vergessen werden, dass das mysteriöse Higgs-Teilchen, das erforderlich ist, um das Standardmodell zu vervollständigen, bisher experimentell noch nicht beobachtet worden ist. Eine spezielle Rolle spielt die Gravitation, für die eine konsistente theoretische Beschreibung im Rahmen der Quantenphysik noch nicht gefunden wurde.

Obwohl das Standardmodell mit analytischen Methoden wie etwa der Störungstheorie untersucht werden kann, können viele Phänomene auf diese Weise nicht berechnet werden. Diese sind z.B. die Eigenschaften der kosmologischen Phasenübergänge, die Massen der Hadronen, die Quarkmassen und die Stärke der starken Kopplung. Der Grund für diese nicht-störungstheoretischen Phänomene liegt einerseits in der (spontanen) Brechung einer Symmetrie, wie sie an einem Phasenübergang stattfindet (ganz ähnlich dem Phasenübergang von Wasser zu Eis) oder aber darin, dass die Kopplungsstärke des Modells so stark wird, dass jede Art von Reihenentwicklung in der Kopplungskonstanten unzuverlässig wird.