Willkommen in der Planckwelt

Der Higgsmechanismus

Im Alltag begegnet uns die Masse auf Schritt und Tritt. Sie begegnet uns als schwere Masse, wenn wir schwere Einkaufstaschen tragen. Sie begegnet uns als träge Masse, wenn wir ein Auto anschieben. Wir machen uns keine Gedanken darüber , warum die Taschen schwer sind. Darüber haben sich auch Newton und Einstein nicht den Kopf zerbrochen.

Und doch stellt in der gegenwärtigen Physik die Masse eines der größten Rätsel dar.

Die größte und teuerste Forschungs-Weltmaschine , die der Mensch je gebaut hat, soll jetzt einem Zweck dienen. Sie soll das Rätsel lösen, wie die Masse in die Welt kommt.

Der Ursprung der Masse ist das größte Rätsel der heutigen

Physik.

Lee Smolin bedauert in seinem neuen Buch „Die Zukunft der Physik“ , dass die Physiker seit 1980 in dieser Frage keinen Schritt weiter gekommen sind. In den letzten 200 Jahren haben alle Generationen der theoretischen Physiker durch theoretische Durchbrüche die Physik voranbringen können. Seine Generation hat nichts Nennenswertes hervorgebracht, was diese Generation überleb en wird. Alles was diskutiert wird, wurde schon 1980 diskutiert. Diese lähmende Stagnation ist für Lee Smolin sehr frustrierend. Er spricht von einer derzeitigen Krise der Physik.

Die Physiker brauchen ein neues Paradigma. Und dieses Paradigma kündigt sich an durch eine neue Naturkonstante. Es ist durchaus möglich, dass eine bekannte physikalische Größe durch ein neues Paradigma den Rang einer Naturkonstante erhält. Das war z.B. bei der Lichtgeschwindigkeit c der Fall. Einstein erklärte c zur Naturkonstante und schuf damit ein neues Paradigma mit der Raumzeit- Symmetrie. Die Plancksche Konstante h war 1900 eine neue physikalische Größe. Sie entwickelte sich im Laufe von 2 Jahrzehnten zu einer Naturkonstante und löste durch das neue Paradigma des Wirkungsquantums die bisher ungelösten Probleme des Atomaufbaus.

Neue Einsichten entstehen auch durch die Verknüpfung von Naturkonstanten. So wies die Verknüpfung der Lichtgeschwindigkeit mit der Dielektrizitätskonstante und der Permeabiltätskonstante des Vakuums Maxwell den Weg zur Vereinheitlichung der elektrischen und magnetischen Erscheinungen.

Die Verknüpfung der Kopplungskonstante der elektromagnetischen Wechselwirkung mit der elektrischen Elementarladung , mit dem Wirkungsquantum h und mit der Lichtgeschwindigkeit c wies Feynman u.a. den Weg zur Vereinheitlichung der Maxwell schen Theorie mit der speziellen Relativitätstheorie Einsteins und mit der Quantentheorie. Die Quantenelektrodynamik QED war die große Errungenschaft der Physikergeneration der 40-iger Jahre des 20. Jahrhunderts.

Und dann kam die Vereinheitlichung der elektromagnetischen Kraft mit der schwachen Kernkraft zur QFD in den 70-iger Jahren mit dem bis jetzt ungelösten Problem des Ursprungs der Masse. Seit 40 Jahren sucht man ein neues Paradigma mit einer neue Naturkonstante.

Und diese neuen Naturkonstanten können die Boltzmannkonstante k und die Eulersche Zahl e sein . k ist nach der herrschenden Lehre ein Umrechnungsfaktor von der absoluten Temperatur T in thermodynamische Energie. Durch das neue Paradigma wird k zum Entropiequantum und zu einer neuen Naturkonstante.

Die natürliche Zahl e ist eine der wichtigsten Rechengrößen in der mathematischen Physik und Grundlage der wichtigen Exponentialfunktion und des natürlichen Logarithmus. Als mögliche Kopplungskonstante der Mikrogravitation im Standardmodell kann sie das Massenspektrum der Elementarteilchen definieren und damit die Beliebigkeit der Massen im Standardmodell beenden.

Nach unseren Theorien müssten sich alle Elementarteilchenteilchen mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Trägheitslos bewegen sich nur die Lichtteilchen, die Photonen, und die Gluonen . Bei allen anderen Teilchen wird im Experiment eine Masse gemessen . Inzwischen wurden alle Quarks und Leptonen nachgewiesen und die Massenwerte alle bestimmt. Sie bilden zusammen mit den Bosonen die Basis des Standardmodells der Elementarteilchen . Die gemessenen Massen ergeben einen signifikanten Widerspruch zwischen Theorie und Praxis . Sie können durch die Theorie nicht erklärt werden.

Man spricht bei den unterschiedlichen Quarks und Leptonen von Flavors. Ihre Massenwerte erscheinen rein zufällig . Ein Muster ließe Schlüsse auf das Prinzip der Massenentstehung zu. Solch ein Muster ergibt sich, wenn die Massenwerte der Quarks und Leptonen auf der Zahlengerade des natürlichen Logarithmus angeordnet werden. Dann wird ein Quantenprinzip sichtbar. Wir entdecken bei den Flavors eine neue Symmetrie, die Skalensymmetrie.

Das Problem der Masse trat erstmals bei der Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung auf. Eichbosonen müssen eine Masse erhalten, wenn sie eine kurze Reichweite haben sollen. Die Einführung des Massenterms in die Gleichung zerstört aber die Eichsymmetrie. Einen Ausweg fand u.a. Higgs mit der spontanen Symmetriebrechung wie sie u.a. bei der Magnetisierung auftritt. Über der Magnetisierungstemperatur, sie wird auch Curie-Temperatur, sind die magnetisierten Bezirke ungerichtet. Unterhalb der Magnetisierungstemperatur klappen die Magnetpole in eine Richtung. Die Symmetrie wird gebrochen. Higgs u.a. hatten das Modell der Supraleitfähigkeit auf die Erklärung der elektroschwachen Wechselwirkung angewandt und damit die Massen der W-Bosonen und des Z-Bosons voraussagen können. Diese Massen wurden dann 1983 am CERN im Experiment gemessen. Das wurde damals als riesiger Erfolg gefeiert. Der Higgsmechanismus ist bis jetzt der einzige funktionierende Mechanismus, der Massen in die Theorie einführt, ohne dass die Eichsymmetrie zerstört wird.

Beim Higgsmechanismus spielt die Polarisierung eine bedeutende Rolle. Die elektromagnetische Welle ist eine Transversalwelle. Sie ist senkrecht zur Ausbreitungsrichtung polarisiert. In Richtung der Ausbreitungsgeschwindigkeit ist sie nicht polarisiert. Die W-Bosonen und das Z-Boson sind in alle 3 Richtungen polarisiert, auch in Richtung der Ausbreitungsgeschwindigkeit, wie eine Schallwelle. Über der Energieschwelle von 245 GeV verhalten sich die W-Bosonen und die Z-Bosonen wie eine transversale Lichtwelle , darunter wie eine longitudinale Schallwelle. Bei 245 GeV wird die Symmetrie gebrochen. Die Massen der Eichbosonen und auch der Fermionen entstehen.

Der Symmetriebruch macht den Raum asymmetrisch. Unter 245 GeV unterscheidet die Natur zwischen links und rechts. W-Bosonen koppeln nur an linkshändige Fermionen. Rechtshändige Fermionen sind an der schwachen Wechselwirkung nicht beteiligt. Die Welt zerfällt in Bild und Spiegelbild.

Der Higgsmechanismus kann die Massen der W⁺-Bosons, des W^--Bosons, des Z°-Bosons und des Photons zu erklären, er vermag aber nicht die einzelnen Massenwerte der Fermionen zu erklären.

Man erklärt nach heutigen Verständnis die Massen der Fermionen dadurch, daß die Fermionen über einen Kopplungsfaktor an das Higgsfeld ankoppeln. Damit wird das Problem nur verlagert , weil die Kopplungsfaktoren durch die Theorie auch nicht hergeleitet werden können.

Offenbar ist der Higgsmechanismus, der aus dem Modell der Supraleitfähigkeit abgeleitet wurde, nicht tragfähig genug, um die 12 Fermionenmassen rechnerisch herzuleiten. Ein anderes Modell ist notwendig mit einem neuen Prinzip. Dieses andere Modell ist dem Phasendiagramm des Wassers entlehnt. Das Phasendiagramm wird mit den thermodynamischen Größen Freie Enthalpie, Entropie und Temperatur, u.a. erklärt.

Die erste Ableitung der Freien Enthalpie ist die Entropie und die Entropie ist am Phasenübergang unstetig . Die Entropie wird diskret wie die Wirkung. Und das Modell hat eine größere Tragfähigkeit. Wie bereits erwähnt, führt die Boltzmanngleichung S= e k lnW mit dem Kopplungsfaktor e direkt zum Massenspektrum der Fermionen.

4 Quarkfamilien

Das neue Modell macht auch theoretische Voraussagen, die durch Experimente mit dem LHC verifiziert werden können. Es kann abgeschätzt werden, unter welchen Voraussetzungen eine 4. Fermionen-Generation existiert . Bei einer 4. Quarkgeneration können im Kollisionsbereich W⁺ und W^- -Bosonen entstehen , die sich neutralisieren. Die freiwerdende Energie von 167 GeV liegt im vorausberechneten Bereich des Higgsbosons. Neueste experimentelle Ergebnisse am Tevatron schließen eine Higgs-Masse unter 160 GeV aus. Auf diese Weise löst man auch das Problem bei hohen Energien , das durch die Wechselwirkung der W-Bosonen untereinander entsteht . Und das Higgsboson erweist sich als zusammengesetztes Teilchen mit berechenbarer Masse. Man kann es auch so sehen : Sollte am LHC eine Energielücke von 167 GeV gemessen werden , so wäre das ein Hinweis auf die 4. Lepton-Familie.

Beim Higgsmechanismus gibt es ein weiteres Problem, das anarchische Prinzip.

Geht es nach den Gesetzen der Quantenelektrodynamik dürfte das HiggsBoson die Masse zwischen 100 und 200 GeV gar nicht haben, wie sie in der Zwischenzeit durch Experimente eingeschränkt wurde. Der Massenwert müsste um Größenordnungen höher sein . Das HiggsBoson wechselwirkt mit sich selbst und auch mit den anderen Teilchen, z.B. auch mit dem Top-Quark. Die entstehenden virtuellen Quantenbeiträge addieren sich zur Masse des HiggsBosons hinzu. Durch Feinabstimmung müssen diese Quantenbeiträge wieder ausgeglichen werden, damit die experimentell festgestellte Masse des HiggsBosons erhalten werden kann. Diese Feinabstimmung in einer Größenordnung von 10^-16 ist absolut unbefriedigend.

Wie kann das Problem gelöst werden , das das anarchische Prinzip verursacht, das alle möglichen Quantenbeiträge zulässt ?

Nach der Planckwelt-Theorie entsteht die Ruhemasse außerhalb des vierdimensionalen Quantenvakuums in einer 5. Dimension. Diese 5. Dimension ist die absolute Temperatur und sie steht senkrecht zu den vier Dimensionen der Raumzeit. Wie kann man sich das bildlich vorstellen?

Man geht über zu dreidimensionalen Feynman-Diagrammen. Die z-Achse ist die Temperatur, die x-Achse ist die Zeit , die y-Achse ist der Raumvektor. Die Massenwerte werden dann entlang der z-Achse eingezeichnet. Der Maßstab ist dabei der natürliche Logarithmus. Die Ruhe-Massen der Quarks und Leptonen erscheinen in den 3-dimensionalen Feynman-Diagrammen als Quanten.

Man kann die Feynman-Diagramme mit dem Modell eines Billardspiels vergleichen. Die gestoßenen Kugeln gehorchen dem Impulserhaltungssatz und dem Energieerhaltungssatz. Wäre der Impulserhaltungssatz exakt erfüllt, müssten die Kugeln unendlich oft aneinander stoßen. Nach kurzer Zeit hören die Bewegungen auf, und das schreibt man der Reibung zu . Die entstehende Reibungswärme entweicht nach oben entlang der z-Achse und führt zu einer winzigen Temperaturerhöhung des Systems.

Nach einem ähnlichen Prinzip funktionieren die Teilchen-Beschleuniger. Protonenströme oder Elektronen- und Positronenströme stoßen aufeinander. Die Impulswerte der entstehenden Teilchen werden vermessen . Fehlende Impulswerte werden den Ruhemassen der Teilchen zugeschrieben. Man könnte also durchaus die Ruhemassen mit entstehender Reibungswärme identifizieren.

Die Masse hat demnach thermodynamischen Ursprung. Sie wird im Rahmen einer 5. Dimension T in die Theorie eingeführt.

Die gegenwärtige Physik wäre demnach eine Projektion aus der 5. Dimension auf die vierdimensionale Raumzeit. In dieser Raumzeit haben alle Elementarteilchen die Ruhemasse 0. Die Eichsymmetrie bleibt erhalten.

Das Wirkungsquantum h mit der Heisenberg schen Unschärfe dominiert die vierdimensionale Raumzeit. Die Unschärfe der Unbestimmtheit verursacht das brodelnde Quantenvakuum mit seinen virtuellen Teilchen und verursacht auch das Problem, das das anarchische Prinzip mit sich bringt.

Das Entropiequantum k dominiert hingegen die 5. Dimension. Man kann das Entropiequantum nach modernen didaktischen Konzepten auch mit der Wärmeladung gleichsetzen. Das Entropiequantum verursacht eine andere Unschärfe, die Ununterscheidbarkeit .

Damit sich die Quarks und die Leptonen in ihren Ladungszahlen unterscheiden lassen, müssen die Entropien der Elementarteilchen mindestens einen Abstand von e k haben. Daraus lässt sich das Massenspektrum der Elementarteilchen direkt ableiten. Die Eulersche Zahl e kann als Kopplungskonstante des HiggsFeldes angesehen werden. In Verbindung mit den Quantenzahlen erhält man die Kopplungskonstanten der Fermionen-Massen an das HiggsFeld.

Der LHC ist jetzt seit 2 Jahren in Betrieb. Seit Juli 2011 kommen immer mehr Zweifel, daß es das Higgs-Boson überhaupt gibt. Der Bereich über 145 GeV wurde durch die experimentellen Ergebnisse inzwischen ausgeschlossen . Sollte das Higgs dennoch existieren, wird man es am LHC auf jeden Fall finden. Wird man das Higgs in der Energielücke zwischen 115 und 145 GeV nicht finden, dann gibt es ein Problem mit dem Higgsmechanismus. Die Physiker müssen sich dann nach einem anderen Modell umschauen, das erklärt, wie die Masse in die Welt kommt.

Das Thermodynamik-Modell bietet sich an. Die Temperatur ist ein Skalarfeld. Ein Skalarfeld ist die Voraussetzung für die Massenerzeugung und erklärt die Verletzung der CP-Symmetrie. Die Entropie ist Lorentz-invariant und sie ist eine bestehende physikalische Größe, die nicht extra eingeführt werden muss. Die NegEntropie ist identisch mit der Information, die eine wichtige Kategorie unseres Lebens geworden ist und die damit in der Physik einem gebührenden Platz zugewiesen wird. Die Entropie ist ein Maß für die Irreversibilität. Durch die Einführung von Irreversibilität über die Entropie wird die Irreversibilität erzeugt, die notwendig ist, um die Abwesenheit der Antimaterie zu erklären. Die bisher nachgewiesene CP-Verletzung reicht hierfür nicht aus. Die Entropie kann als Wärmeladung quantifiziert werden und schafft damit ein berechenbares Quantenmodell für die Massen der Elementarteilchen. Massequanten bieten eine Grundlage für die Quantengravitation.

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