Willkommen in der Planckwelt

10 Jahre Higgs-Boson

17. Interview in München

IZ:
Mit dem Nachweis des Higgs-Bosons 2012 wurde die Existenz des Higgsfelds bestätigt. Mr. Higgs hat das Higgsfeld vor 50 Jahren zusammen mit anderen Physikern vorgeschlagen, um das Problem mit der Masse der Elementarteilchen zu lösen. 2013 wurde er mit dem Nobelpreis für Physik geehrt, weil er erstmals das zugehörige Teilchen postulierte. Ist das Higgsfeld quantisiert?

Autor:
das ist eine interessante Frage. Das Higgs-Boson wäre dann ein Quantenteilchen, so wie das Photon vor 100 Jahren als Quantenteilchen des elektromagnetischen Feldes vorgeschlagen und nachgewiesen wurde. An die Massen des top-Quarks, des Higgsbosons und des Z-Bosons haben sich tausende Wissenschaftler mit aufwändigen Versuchen herangetastet. Die Masse des top-Quarks wurde 1995 am Tevatron ( USA ) , dem damals leistungsfähigsten Beschleuniger gemessen. Der Wert m_t =174.3 GeV wird bis heute nicht verstanden. Die Masse des Z-Bosons wurde am CERN vor 40 Jahren gemessen. Hierzu wurde der 27 km lange Rundtunnel des LHC gebaut. Die Masse des Higgsbosons wurde 2012 mit dem ATLAS-Detektor gemessen. Die Jagd nach dem Higgsboson war den 6000 Wissenschaftlern am LHC immerhin 6 Milliarden Euro wert.

IZ:
Den 6000 Wissenschaftlern stehen am LHC für die Auswertung der Kollisionsdaten die leistungsfähigsten Computersysteme im Verbund zur Verfügung. Dennoch ist es ihnen bis heute nicht gelungen, die Massen der Elementarteilchen ausgehend von einer Naturkonstante zu berechnen. Die Massen und ihre Kopplungswerte werden für die weiteren Berechnungen des Standardmodells als freie Parameter behandelt. Wo sehen Sie das Problem?

Autor:
Im Standardmodell haben die Elementarteilchen neben Spin und elektrischer Ladung unterschiedliche Massen. Die derzeit mächtigste Formel der Welt E=mc^2 hilft uns hier nicht weiter, weil die Naturkonstante c dimensionsbehaftet ist. Das führt zu Unendlichkeiten in den mathematischen Gleichungen. Eine Alternative bietet der Higgsmechanismus. Mit dem Higgsmechanismus erhalten die Elementarteilchen ihre Massen durch die Kopplung an das Higgsfeld. Die Massen werden beim Higgsmechanismus auf den Vakuumerwartungswert v= 246 GeV reduziert. Damit erhalten wir für die Massen dimensionslose Zahlenwerte. Die derzeitigen Probleme in der Forschung entstehen dadurch, dass die Massen auf den Urknall mit der Planckmasse m_Pl = 10^19 GeV reduziert werden, die mit Experimenten nicht zu verifizieren ist. Werden die am LHC gemessenen Werte des top-Quarks, des Higgsbosons und des Z-Bosons, hingegen auf den Vakuumerwartungswert v = 246 GeV reduziert, dann lassen sie sich mit der Formel m/v = e^(-n/3 ) mit n=1,2 3 berechnen. Die erweiterte Formel m = v e^(-a n - b ) steht für die Mikrogravitation der anderen Massen des Standardmodells (Bild 9) . Die Naturkonstante e steht für die Quantengravitation. Die mächtige Formel m = E c^-2 steht für die Makrogravitation.

IZ:
Was ist bei n=0 ?

Autor:
Bei n=0 ist die Kopplungskonstante e^0 = 1. Die Obergrenze der Elementarteilchenmassen ist gleich dem Vakuumerwartungswert v. Es gibt daher keine 4. Teilchenfamilie.

IZ:
Welche Konsequenzen sind bei imaginären Massen zu erwarten?

Autor:
Im Newton´schen Gravitationsgesetz führen imaginäre Massen zur Antigravitation. Mit dem Hubble-Teleskop wies Hubble erstmals nach, dass sich das Universum ausdehnt. Galaxien driften aufgrund der Antigravitationskraft auseinander. Einstein hat bei seiner Allgemeinen Relativitätstheorie mit seiner kosmologischen Konstante recht behalten.

IZ:
Auch die Antimaterie ist nachwievor ein Rätsel jenseits des Standardmodells.

Autor:
mit großem Aufwand wird nach Antimaterie im Kosmos gesucht. Außer einen geringen Überschuss von Positronen, den Antiteilchen der Elektronen, haben die NASA- Ingenieure noch keine Antimaterie mit dem Planck-Satelliten ausmachen können.

IZ:
Das Standardmodell der Elementarteilchen ist eine wissenschaftliche Leistung ersten Ranges. Dennoch muss es weiter entwickelt werden, weil es die Gravitation nicht enthält. Welchen Weg schlagen Sie vor?

Autor:
Das Standardmodell der Elementarteilchen beruht auf Symmetrien. Die starke, die schwache Kernkraft und die elektromagnetische Wechselwirkung werden durch die Symmetrien SU(3) x SU(2) x U(1) beschrieben. Triumpf des Standardmodells ist die Vereinigung der elektromagnetischen mit der schwachen Kraft zur elektroschwachen Kraft SU(2) x U(1). Für die Vereinigung der elektroschwachen Kraft mit der starken Kernkraft SU(3) wird die Symmetrie SU(5) vorgeschlagen. Sie setzt den Zerfall des Protons im Wasser voraus. Die aufwändigen Versuche in Bergwerksstollen unter der Erde in Europa und Japan wurden nach 3 Jahren eingestellt, weil der Zerfall des Protons mit Photomultipliern nicht nachgewiesen werden konnte. Hinzu kommt noch, dass die SU(5) Teilchen- Massen in einer Größenordnung voraussetzt, bei der der LHC am CERN weit davon entfernt ist, solche Teilchen zu erzeugen.

IZ:
Das Standardmodell funktioniert hervorragend, wenn alle Elementarteilchen die Masse 0 haben. Warum ist es nach allgemeiner Meinung unvollständig?

Autor:
Die Versuche am CERN zeigen, dass die Elementarteilchen eine Masse haben. 17 freie Parameter des Standardmodells, hierzu gehören auch die trägen Massen, werden mit dem Atlas-Detektor und dem CMS-Detektor gemessen und in die mathematischen Gleichungen eingesetzt. Das ist unbefriedigend. Das Standardmodell kann die Massen der Quarks und Leptonen und die Yukawa-Kopplungswerte nicht berechnen. Nach der herrschenden Lehre kann die Masse des Higgs-Bosons 20 GeV oder 200 GeV sein. Nach dem Higgs-Mechanismus erhalten Teilchen ihre Massen, indem sie an das Higgsfeld ankoppeln. Bild (11) zeigt das aktuelle Standardmodell der Elementarteilchen mit der trägen Masse, mit der elektrischen Ladung und dem Spin. Welchen Sinn haben 3 Familien ( I , II , III ), die sich nur in den Massen unterscheiden. Bild(10) aus der Zeitschrift „Welt der Physik“ mit den grafisch aufgetragenen logarithmischen Massen führt uns hier weiter. Ein Muster der Massen der 3 Familien wird erkennbar.

(11) (10) aus „Welt der Physik“

(9)

In Bild (9) wird das Massenspektrum von Bild (10) mit dem natürlichen Logarithmus der Massen zur Symmetrie SU(4) weiterentwickelt. Die SU(4) hat 4 Ladungen mit 4²-1 = 15 Ladungsträgern. Die massiven Elementarteilchen erhalten mit der Masse eine zusätzliche Ladung und werden durch die Symmetrieoperationen (vertikale Verschiebung in y-Richtung und Drehung) ineinander überführt. Auf der waagrechten Achse geben die Quantenzahlen von 0 bis 5 eine Antwort auf die Frage, warum es 3 Familien geben muss. Die Massen der Quarks, Leptonen und Bosonen tragen Quantenzahlen, elektrische Ladungen und Spin. Die Massen der Elementarteilchen werden berechnet . Der Vakuumerwartungswert v und das Higgsboson H sind in die Symmetrie einbezogen. Die Massen der W-Bosonen passen nicht ins Quantenschema. Sie werden übrigens zurzeit am LHC neu vermessen. Das stop-Quark als Boson und das top-Quark als Fermion haben die gleiche Masse. Es liegt nahe, dass bei den hohen Kollisionsenergien am LHC das stop –Quark zusammen mit dem top-Quark und das top-Quark zusammen mit dem Anti-Top-Quark entsteht. Wegen der extrem kurzen Zerfallszeiten < 10^-24 s kommt die starke Kraft nicht zur Wirkung.

Autor:
In der Allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein haben träge und schwere Massen die gleichen Zahlenwerte. Die Detektoren des LHC messen träge Massen. Die Rotationswinkel der SU(4) in ( Bild 9 ) sind eine Funktion der Eulerschen Zahl. Die Massen unterscheiden sich in Spin und elektrischer Ladung. Hätte die Zahl e einen anderen Wert, dann hätten die Elementarteilchen andere Massen, und wir hätten ein anderes Universum. Die Zahl e ist wie π eine transzendente Zahl ohne jegliche Periodizität. Sie ist der Grenzwert e= mit den ganzen Zahlen n. Die Eulersche Zahl e hat für die Quantengravitation eine vergleichbare Bedeutung wie die Lichtgeschwindigkeit c für die Spezielle Relativitätstheorie und das Plancksche Wirkungsquantum h für die Quantentheorie. Es ist schon eine große Überraschung, dass das Massenspektrum der Elementarteilchen vom Vakuumerwartungswert v und von Quantenzahlen und einer wichtigen dimensionslosen Naturkonstante abgeleitet werden kann. Im Standardmodell sind mit der Skalensymmetrie und der SU(4) zwei Symmetrien verborgen, die die freien Parameter reduzieren.

IZ:
Mit der Einführung der zusätzlichen Symmetrie SU(4) erhalten wir eine interessante Erweiterung des Standardmodells. Welche Strategien verfolgt die Wissenschaft?

Autor:
Die Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein ist eine kontinuierliche Theorie und kann nicht mit der Quantentheorie zu einer allgemeinen Theorie vereinigt werden. In der aktuellen Forschung gehört die Gravitation nicht zum Standardmodell. Die Super-Stringtheorie und die Schleifenquantentheorie quantisieren Raum und Zeit. Sie gehen dabei von der Plancklänge und der Planckzeit aus. Diese beiden Theorien mögen in mathematischer Hinsicht sehr interessant sein, sie können aber durch Experimente nicht verifiziert werden. Die vorliegende Quantengravitation geht hingegen von den gemessenen Massen und der Fermi-Energie v aus. Die trägen Massen aller Teilchen des Standardmodells liegen mit ihren Messwerten des LHC vor und werden in (Bild 9 ) durch Quantenzahlen dargestellt. Massen sind die Ladungen der Gravitation.

IZ:
Die Dunkle Materie gehört mit der Dunklen Energie derzeit zu den großen Rätseln der Astrophysik. Woraus besteht die Dunkle Materie? Große Hoffnungen werden in die Entdeckung der ersten supersymmetrischen Teilchen gesetzt. Bringt uns die Quantengravitation hier weiter?

Autor:
Das Universum besteht zu 90 % aus Wasserstoff und Helium. Wasserstoff besteht aus den 4 kleinsten Elementarteilchen der Materie, aus den 3 Quarks uud , dem Elektron und dem Neutrino. Das ist der Grundzustand der Materie mit den Elementarteilchen der 1. Familie. Am aufgerüsteten LHC, dem größten Teilchenbeschleuniger der Welt, werden inzwischen schwere Baryonen mit Quarks aus den 3 Familien erzeugt und mit den beiden Detektoren nachgewiesen. Schwerer Wasserstoff besteht vermutlich aus diesen schweren Baryonen. Mit dem Plancksatelliten eRosita werden in unserer Galaxie Gammastrahlen – und Röntgenstrahlen-Blitze detektiert, die einen Hinweis auf den Zerfall des schweren Wasserstoffs durch die starke Wechselwirkung geben.

IZ:
Eine neue Physik nach dem Nachweis des Higgs-Bosons 2012 ist bisher ausgeblieben. Sehen Sie eine Chance bei der weiteren Vereinigung der Kräfte?

Autor:
Die Vereinigung der elektroschwachen Kraft mit der starken Kraft mit der Symmetrie SU(5) setzt den Zerfall des Protons in ein Positron und Pion voraus, der mit dem Super-Kamiokande-Detektor in Japan in hochreinem Wasser in großen Tanks unter der Erde bis jetzt nicht nachgewiesen werden konnte. Das Proton hat eine Lebendauer von 10³⁰ Jahren. In 3000 t Wasser sollte daher ein Protonzerfall statistisch möglich sein. In der Elektrochemie hat das Proton in Wasser mit dem pH-Wert einen weiteren Freiheitsgrad und damit eine weitere Ladung. Der pH-Wert ist die logarithmische Protonenaktivität in Wasser. Dabei spielen im Wasser die Aminosäuren eine besondere Rolle. Aminosäuren haben aufgrund der unterschiedlichen organischen Seitenketten R ( Bild 3) unterschiedliche Protonenaktivitäten. Werden die 20 proteinogenen Aminosäuren nach den IEP-Zahlen ( 7 ) geordnet, dann wird die Carboxygruppe entlang der 20 IEPs schrittweise deprotoniert (Bild 5) und die Aminogruppe protoniert. Das Proton H⁺ verändert sein Säure-Basen-Verhältnis in 20 Quantenschritten. Wir werden an die alten griechischen Philosophen erinnert, die dem Atom außer der Unteilbarkeit auch die Eigenschaften süß, sauer und salzig zuschrieben.
Bild 8Bild 5
IZ:
Aminosäuren sind Bausteine der Proteine, die eine wichtige Rolle in der biologischen Zelle spielen. Welche Kraft wirkt in der biologischen Zelle ?

Autor:
Die lebende Zelle ist von einer porösen Membran aus Proteinen umgeben. Das Protein Insulin ist in Bild (8) ein Beispiel für die Struktur und Nomenklatur von Aminosäuren. Kennzeichen der Aminosäuren ist ein asymmetrisches Kohlenstoffatom mit einer chiralen Ladung. Von den 300 Aminosäuren hat die Evolution 20 proteinogene Aminosäuren ausgewählt, die bis auf Glycin optisch aktiv sind und mit dem linear polarisierten Sonnenlicht und den links polarisierten Neutrinos wechselwirken. Die Chiralität der asymmetrischen Kohlenstoffatome wird hinsichtlich der Evolution der lebenden Materie unterschätzt.

IZ:
Wie kann Leben auf dem Mond und dem Mars nachgewiesen werden?

Autor:
Der NASA Rover Perseverence untersucht auf dem Mars Gesteine mit Salz-Einschlüssen mit chiralen Laserlicht und Röntgenstrahlen. Wenn sich die chemischen Fingerabdrücke von chiralen und nichtchiralen Salz unterscheiden, dann sind das Hinweise auf früheres, außerirdisches Leben. Japanische Sonden haben auf Asteroiden bis zu 60% Wassereis und organische Materie mit Glycin und Nukleobasen nachgewiesen.

IZ:
Welchen Einfluss haben die pH-Werte auf die Aminosäuren?

Autor:
Jede Aminosäure hat einen isoelektrischen Punkt IEP, bei dem die positiven und negativen Ladungsstärken gleich sind. Die Aminosäure ist beim zugehörigen pH-Wert elektrisch neutral und unlöslich. Werden die 20 Aminosäuren nach fallenden IEP-Werten angeordnet, erhalten wir die 4 Ladungen basisch⁺ neutral/polar hydrophob/unpolar und sauer ^- . Die Geraden der IEP-Werte haben verschiedene Rotationswinkel und Translationen ( 7 ). Im basischen Bereich ist der Winkel -55°= e⁴ und im sauren Bereich -20°=e³ . Die Aminosäuren der Proteine werden neben den Buchstabenfolgen ( 6 ) auch durch ihre zugehörigen pH-Werte charakterisiert.

Bild 7 Bild 6

IZ:

In der lebenden Zelle zeigen die Proteine mit den linksdrehenden Aminosäuren und die rechtsdrehenden Nukleotide eine Polarität, vergleichbar mit dem elektrisch positiv geladenen Atomkern und der elektrisch geladenen Elektronenhülle.

Autor:

Die Nukleotide der RNA bestehen aus den 4 Nukleo-Basen A,G,C,U (4), die durch die rechtshändige Zucker-Phosphat-Helix miteinander verknüpft sind. 3 Nukleotide bilden ein Triplett und sind einer Aminosäure zugeordnet ( 2 ). Werden die 4 Basen variiert, dann gibt es 4³ = 64 mögliche Tripletts. Sie werden auch Codons genannt und bilden als Gene mit der DNA die biologische Information.

Bild 4

IZ:
Hat uns das Corona-Virus die Gentechnik näher gebracht?

Autor:
Das Corona-Virus mit seinen Mutationen beherrscht seit 2020 Medizin und Politik. Bei Mutationen wird die DNA sequenziert und die Basenfolge detektiert. Bei der Alpha-Mutation B.1.1.7 ist die Aminosäure Asparigin gegen die Aminosäure Glycin ausgetauscht. Dadurch verändert sich die Struktur des Spike-Proteins, so dass das Coronavirus leichter an die Wirtszelle andocken und in sie eindringen kann. Bei der Omikron Mutante sind die Aminosäuren an 50 Stellen ausgetauscht. Das macht sie so ansteckend und lässt die Inzidenz exponentiell ansteigen. Innerhalb eines Jahres wurde ein Impfstoff gegen das Coronavirus von Biontech und Moderna mit der Gentechnik entwickelt. Der Impfstoff regt die menschliche Zelle an, Antikörper gegen das eingedrungene Corona-Virus zu entwickeln. Beim Verfahren von Biontech wird ein mRNA-Abschnitt des Proteins mit der Gentechnik gedruckt und dann injiziert, so dass das Ribosom in der Wirtszelle veranlasst wird, das Spikeprotein des Virus zu produzieren. Schon ein Teil des stacheligen Hüllenproteins reicht aus, um die Produktion von Antikörpern anzuregen, die das Virusprotein neutralisieren. Ein Milliardenmarkt ist entstanden.

IZ:
Wer ist der Träger der neuen Kraft?

Autor:
Träger ist die m-RNA ( 1). Sie besteht aus einer linksdrehenden Aminosäure und dem zugehörigen rechtsdrehenden Anticodon-Basentriplett ( 2 ).

( 1 ) ( 2 )

IZ:
Wie kann die Ladungstrennung erklärt werden?

Autor:
Die SU(5) hat 5 Ladungen und 5²-1 =24 Kraftteilchen. Die m-RNA vermittelt als Kraftteilchen mit ihren Anticodons zwischen den linkshändigen 20 Aminosäuren und den 4 rechtshändigen 4 Basen der DNA ( 2 ). Die 4 Ladungen der 20 Aminosäuren sind basisch, neutral hydrophob, neutral hydrophil und sauer. In ( 3 ) sind die Alkylreste der 20 proteinogenen Aminosäuren in 4 Farben mit den 4 Ladungen dargestellt. Die 5. Ladung der Nukleotide ist in (7) nicht eingezeichnet und ist im neutralen Bereich.

Bild 3
IZ:
Erklärt die 5. Naturkraft auch den Ursprung des Lebens?

Autor:
Der Ursprung des Lebens auf der Erde wird auf Mikrometeoriten aus dem Kosmos zurückgeführt. Sie bestehen aus Wassereis und Aminosäuren. Im heißen Wasser brodelnder Vulkanquellen tauen die Meteoriten mit den Aminosäuren auf. Die einfachste proteinogene Aminosäure (3) ist Glycin G. Glycin ist als einzige Aminosäure optisch nicht aktiv. Wird ein H-Atom beim Glycin in Methan-haltiger Atmosphäre durch die CH₃ – Gruppe ersetzt, kommen wir zur einfachsten optisch aktiven Aminosäure Alanin (A), die linkspolarisiertes Sonnenlicht absorbiert und energetisch angeregt wird. Das ist der Ursprung der Ladungstrennung. Das Leben begann mit Aminosäuren, die sich in Wasser zu Proteinen formierten. Aus den Proteinen entstanden dann Zellmembranen, die einen ersten Stoffwechsel bewirkten. In der Zelle führte dann der Zellkern mit den ersten RNA- Molekülen zum Ladungsausgleich der biologischen Kraft.

IZ:
Wie wirkt sich eine Mutation auf das Spikeprotein des Coronavirus aus?

©Autor:
Die Aminosäuren der Proteine sind im Wasser je nach dem pH-Wert unterschiedlich hydrophil und hydrophob. Auf diese Weise verändert das Protein seine räumliche Struktur und sein zeitliches Verhalten ( 8 ). Bei einer Punkt-Mutation sind in der RNA zwei Basen ausgetauscht und damit auch die zugehörigen Aminosäuren des Proteins. Der andere pH-Wert der Aminosäure in dieser Position verändert das hydrophile und hydrophobe Verhalten des Proteins. Auf diese Weise ändert sich die Struktur des Spike-Virusproteins. Wird das Eindringen in die Wirtszelle erleichtert, dann handelt es sich um eine schädliche Mutation mit erhöhter Verbreitungsgeschwindigkeit und Ansteckung. Wenn die Aminosäure Asparagin ersetzt ist durch Glycin, dann ändert sich nicht nur der pH-Wert ( 7 ) der Aminosäure ( N→G ) von basisch zu neutral, sondern auch das optische Verhalten. An der Stelle, bei der die linksdrehende Asparaginsäure des Spike-Virusproteins ersetzt ist durch das optisch nicht aktive Glycin, ändern sich die optischen Eigenschaften. Mit chiraler zirkularer Laserstrahlung kann eine Mutation detektiert werden.

IZ:
Was hat der pH-Wert mit dem Coronavirus und dem Impfstoff zu tun?

Autor:
Das Coronavirus muss in der Wirtszelle gegen den pH-Gradienten von 5.5 – 4.5 zwischen den Proteinen der Zellmembran und dem Zellkern ankämpfen. Das entspricht dem Säureschutzmantel der menschlichen Haut. In saurer Umgebung trocknet die Proteinhülle des Coronavirus aus und stirbt ab. Das Corona-Virus wird durch Aerosole beim Ein- und Ausatmen übertragen. Durch die Tröpfcheninfektion beim Einatmen gelangt das Virus durch die Nasenschleimhaut in den Körper und infiziert die Rachenschleimhaut. Im pH-Gradienten zwischen der linksdrehenden Zellmembran und dem rechtsdrehenden Zellkern ist die Energie der lebenden Zelle gespeichert. Geht der pH-Gradient gegen 0, stirbt die Zelle.

Higgs_Corona_Vortrag

IZ:
Die Gentechnik ist eine Schlüsselindustrie des 21. Jahrhunderts. Mit der Entwicklung der Impfstoffe gegen das Coronavirus innerhalb eines Jahres hat die Gentechnik ihr machtvolles Potential entfaltet und einen Durchbruch erreicht. Umsätze im zweistelligen Milliarden-Bereich wurden realisiert. Die Verfügbarkeit der Impfstoffe für unterschiedliche Mutationen ist inzwischen zu einem Politikum geworden. Die EU, China, USA, Großbritannien und Russland sehen sich im Wettbewerb der Systeme. Es gibt keine Alternative, das lebensbedrohende das Coronavirus weltweit zu besiegen. Was macht die Gentechnik so interessant?

Autor:
Die Gentechnik arbeitet mit Proteinen als hochwirksame Katalysatoren und das bei den Temperaturen der Umgebung und normalen Luftdruck. So gibt es neuerdings in den USA gentechnisch hergestellte Bakterien, die großflächig CO2 aufnehmen und Äthanol abgeben. Im industriellen Maßstab können die Bakterien das CO2 der Luft reduzieren und in Treibstoffe umwandeln. Proteine bestimmen mit der Anordnung der Aminosäuren zusammen mit der DNA die biologische Information. In reinem Wasser gibt es keinen Zerfall des Protons. Enthält Wasser 20 proteinogene Aminosäuren, dann kommt mit der Protonenaktivität eine zusätzliche Ladung des Protons zum Tragen. Jede Aminosäure hat mit dem zugehörigen pH-Wert eine eigene Ladung. Das Spikeprotein mit seinen 30 000 Aminosäuren lässt sich somit auf 30 000 Zahlen reduzieren, die leichter mit einander mathematisch verknüpft werden können als die derzeitigen Buchstabenfolgen.

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