Willkommen in der Planckwelt

2. Interview in Berlin

Der Schwarze Strahler

IZ:
Willkommen wieder in Berlin ! Wir machten bei unserem 1. Interview eine Zeitreise zum Anfang des 20 Jahrhunderts,
zurück an die Wegegabelung , die durch die 3 Naturkonstanten h , c, und k markiert ist. Seit dieser Zeit entwickelten sich Quantentheorie, Relativitätstheorie und Thermodynamik auseinander. Die Naturkonstante h und das Prinzip der minimalen Wirkung dominierten die Elementarteilchenphysik das ganze 20. Jahrhundert. Mit dem Wirkungsquantum kann der Ursprung der Masse jedoch nicht erklärt werden. Im Schwarzkörperstrahlungsgesetz von Max Planck sind die Naturkonstanten
h , c , k, π und e enthalten. Wie wäre die Entwicklung verlaufen, wenn Max Planck nicht nur das Produkt von elektromagnetischer Strahlungsenergie und Zeit (= Wirkung ) , quantisiert hätte, sondern auch das Produkt von
thermodynamischer Energie und inverser Temperatur (= Entropie) ? Nach neuen didaktischen Konzepten wird die
„ Entropie“ mit Wärmeladung gleichgesetzt , was eine Quantisierung schon erahnen lässt.

Autor:
Anfang des 20. Jahrhunderts gab es für Temperaturen über 1000 °C keine experimentellen Labordaten. Es mag eine
verwegene Idee sein, wenn wir uns den Atlas-Detektor als Schwarzen Strahler vorstellen. Im Inneren entstehen an den Kollisionspunkt Temperaturen, die nahe an den Urknall heranreichen. Im Schwarzen Strahler von Max Planck verwandelt sich thermische Energie in elektromagnetische Strahlung, die an der Öffnung von einem Spektrometer gemessen wird. Im CMS- und im Atlas-Detektor werden neben der harten Gamma-Strahlung geladene Teilchen detektiert. Als der LHC 2011 kontinuierlich hochgefahren wurde, wurde das gesamte bekannte Massenspektrum der Elementarteilchen verifiziert. Am 4. Juli 2012 konnte dann zudem die Entdeckung des Higgsbosons bekannt gegeben werden. Doch warum hat die Masse des Higgsbosons am Atlas-Detektor gerade den Wert 126,3 GeV ? Bis heute ist dieser Wert und das Massenspektrum der Elementarteilchen unverstanden. Beim LHC wird in den 4 Kollisionspunkten ein gewaltiger Temperaturbereich durchfahren. Gilt hier das Wien´sche Verschiebungsgesetz? Das ist eine spannende Frage ! Die Frequenzdarstellung des Verschiebungsgesetzes kann aus dem Planck´schen Strahlungsgesetz abgeleitet werden. Die Frequenz mit der maximalen Strahlungsleistung ist linear zur absoluten Temperatur. Es gilt       ν_max = 5.879   10^10 T     [Hz/K°] .

IZ:
Die Zeitreise 100 Jahre zurück in der Geschichte im Jahr 1 nach Higgs zeigt die gewaltige technologische und theoretische Entwicklung der Physik, und wie tiefgreifend sie unser Leben in 5 Generationen beeinflusst hat.   Das Spektrum der Schwarzkörperstrahlung stellen wir im allgemeinen als 2-dimensionales Diagramm dar. Welche neuen Erkenntnisse
kann die Erweiterung in die 3. Dimension der Temperatur bringen ?

Autor:
Der Nachweis des Higgsbosons am LHC durch 2 Gammaquanten überraschte. Dieser Zerfall in 2 Photonen ist nur möglich, wenn ein Skalarboson mit dem Spin 0 zerfällt. Elektromagnetische Strahlung ist ladungssymmetrisch zwischen der negativen Ladung des Elektrons und der positiven Ladung seines Antiteilchens. Bei steigender Frequenz und Energie wird die elektromagnetische Strahlung teilchenartiger. Schließlich wird das Z-Boson mit einer Masse von 91 GeV detektiert. Es ist ein schweres Photon, ist elektrisch neutral ,hat eine schwache Isospinladung, seine Raumsymmetrie ist leicht gebrochen. Es zerfällt innerhalb von 10^-25 sec und unterscheidet dabei geringfügig zwischen rechts und links.
Kommen wir zurück zum Modell des Schwarzen Strahlers. Wird der LHC hochgefahren, verwandelt sich die kinetische Energie
der aufeinander prallenden Protonen in thermische Energie . Die thermische Energie verwandelt sich im hypothetischen Schwarzen Strahler in Strahlung. Am Ende dieser elektromagnetischen Route ist das Higgsboson mit 126 GeV ,das in 2 γ-Quanten von je 63 GeV zerfällt. Wir können die zugehörige Frequenz berechnen mit 1.5 10^25 Hz. Die Schwingungsdauer ist
0.7 10^-25 sec . Die Zerfallsdauer des Higgsbosons ist 10^-22 sec .

IZ:
Wenn wir jetzt bei dieser Frequenz das Wien´sche Verschiebungsgesetz anwenden, kommen wir zu unsinnigen Ergebnissen.
Die Temperatur wird höher als die Plancktemperatur. Offensichtlich kann der LHC mit dem Atlas-Detektor nicht als
Schwarzer Strahler betrachtet werden. Welche wesentlichen Unterschiede gibt es zwischen dem Schwarzen Strahler
von Planck und dem LHC ?

Autor:
Der wesentliche Unterschied besteht in der Reversibilität und der Irreversibilität. Beim Planck´schen Schwarzen Strahler
ist die Strahlung im thermischen Gleichgewicht. An der Wand mit der Temperatur T wird die elektromagnetische Strahlung
emittiert und absorbiert und mit dem Spektrometer vor der kleinen Öffnung vermessen. Es wird keine Entropie erzeugt. Beim Atlas-Detektor haben wir 4 Strahlungsquellen in den 4 Kollisionspunkten. Durch die Kollision der Protonenströme entsteht eine enorme Temperatur. Die Strahlung wird in den Detektorschichten des Atlas-Detektors absorbiert. Dabei durchläuft die Strahlung einen gewaltigen Temperaturgradienten. Der Prozess ist irreversibel . Die Zeitsymmetrie wird gebrochen. Entropie wird erzeugt. Sie wird in den Lagrange-Gleichungen der Hochenergiephysik jedoch nicht berücksichtigt. Stattdessen wird ein neues Feld, das Higgsfeld, postuliert, das Masse erzeugt und die Eichsymmetrie der Langrange-Gleichung erhält.

IZ:
Sie bringen immer wieder das thermodynamische Feld und die thermodynamische Energie im Zusammenhang mit dem Ursprung der Masse ins Gespräch und beleuchten das immer wieder von verschiedenen Seiten.

Autor:
Da Standardmodell wurde am LHC glänzend bestätigt. Es lässt aber viele Fragen offen.   So erklärt es nicht das Massenspektrum der Elementarteilchen.   Auch der Higgsmechanismus gibt darauf keine Antwort. Bei den vielen Daten, die am LHC seit 2011 gewonnen wurden , gibt es bisher keinerlei Hinweise auf supersymmetrische Teilchen. Auch die Supersymmetrie kann das Massenspektrum der Elementarteilchen nicht herleiten.   Nach meiner Überzeugung sollte das Standardmodell durch die Thermodynamik und durch die Skalensymmetrie erweitert werden.   Die Quantifizierung der Entropie spielt dabei eine entscheidende Rolle.   Der Higgs-Mechanismus, der mit dem Nobelpreis anerkannt wurde, sollte nunmehr thermodynamisch gedeutet werden.

IZ:
Kommen wir nochmals zurück auf den Schwarzen Strahler, das Thema unseres 2. Interviews in Berlin.    Wir haben den LHC,
bei dem Protonen mit einer kinetischen Energie von je 4 TeV im 50-Nanosekundentakt kollidieren und diese Energie in thermische Energie verwandelt.   Diese thermische Energie wird verwandelt in Photonen und Teilchenschauer. Die Photonen und Teilchen
werden von den Detektorschichten des Atlasdetektors absorbiert. Sie reflektieren die Teilchen der Zerfallsprozesse in die dahinterliegenden Detektorschichten.   Die Meßprozesse sind irreversibel und erzeugen Entropie und Informationen. Auf diese Weise könnte die Thermodynamik in die Lagrangegleichungen integriert werden.    Wenn im Kollisionspunkt hochsymmetrische thermische Energie entsteht,   dann könnte man entlang der Zerfallswege durch den Detektor die entstehende Asymmetrie der Materie beobachten. Bestehen die Elementarteilchen aus kleineren Bestandteilen ?

Autor :
Das sind 2 interessante Fragen, die sich gegenseitig bedingen.    Quarks und Leptonen bestehen aus Ladungen. Es gibt
6 verschiedene Ladungen . Ladungen sind Quelle und Senke der Kräfte. Somit gibt es 6 Kräfte.   Es ist die magnetische Kraft,
die elektrische Kraft, die schwache Kraft, die Farbkraft, die schwere Kraft und die Leptoquarkkraft.   Zu den Ladungen
gibt es die Erhaltungssätze.   Sie gelten nicht exakt. Deshalb verschwindet nach dem Urknall entlang der Zerfallskette die Antimaterie, und am Ende ist der Wasserstoff entstanden.   Beim Urknall im LHC-Labor reicht hierfür die Zerfallskette nicht aus.

IZ:
Sie führen bei den Kräften auch die schwere Kraft auf.    Nach herrschender Meinung ist im Standardmodell der Elementarteilchen die Gravitation nicht enthalten.

Autor:
Wir haben im Laufe des letzten Jahrhunderts die magnetische Kraft, die elektrische Kraft, die schwache Kraft und die Farbkraft erforscht und verstanden, und wir haben gelernt, sie für uns zu nutzen.   Jetzt sind wir bei der Masse angekommen. Erst jetzt glauben wir , die Masse als Ladung verstanden zu haben. Viele Fragen sind noch offen. Wir können uns das Massenspektrum der Elementarteilchen nicht erklären. Warum haben Quarks und Leptonen gerade die Werte, die am LHC gemessen werden. Im Inneren des Atoms können wir nicht von Gravitation sprechen. Es gibt hier keine definierte Bewegung in Raum und Zeit.   Die Masse hat hier als schwere Ladung eine andere Aufgabe.   Deutlich wird das bei den Mesonen mit einem Quark und einem Antiquark von unterschiedlichen Generationen.   Die elektrischen und die schwachen Ladungen sind in allen Generationen gleich. Die Massen unterscheiden sich, und der Unterschied erzeugt die Asymmetrie. Deshalb brauchen wir mindestens 3 Generationen.

IZ:
Die Kollisionspunkte mit ihren ultrahohen Temperaturen sind daher nicht nur die Strahlungsquelle für elektromagnetische γ-Strahlung sondern sie sind auch die Strahlungsquelle von Mesonen, die aus Quarks und Antiquarks bestehen. Deshalb ist das Wien ´sche Verschiebungsgesetz bei ultrahohen Temperaturen nicht anwendbar.     Was macht das Planck´sche Strahlungsgesetz aus dem Jahr 1900 für Sie so interessant in Verbindung mit dem Massenspektrum der Elementarteilchen aus dem Jahr 2000?

Autor:
Planck hat den Boltzmann-Faktor e^(hν / kT) mit dem Planckschen Wirkungsquantum h in die Strahlungsgleichung eingeführt und konnte damit erklären, warum bei hohen Frequenzen die Strahlungsleistung abnimmt.   Damit wurde die Ultraviolett- Katastrophe vermieden, wie sie bei klassischer Betrachtung eintreten würde.    Die Frage stellt sich doch, was bei hohen Temperaturen geschieht, wenn wir bei der thermodynamischen Energie kT analog verfahren und k als Entropiequantum definieren.    Wir haben gezeigt, dass das Wien´sche Verschiebungsgesetz bei der Strahlungsfrequenz von 62 GeV bei der Erzeugung des Higgsbosons    widersprüchliche Werte für die Temperatur liefert, wenn wir den LHC als Schwarzen Strahler betrachten.    Der Widerspruch löst sich auf, wenn das Higgsboson auch in anderen Zerfallskanälen zerfällt, in dem massereiche Teilchen erzeugt werden, und wenn die Massenenergie der Teilchen aus thermodynamischer Energie besteht. Damit haben wir gegenüber der herrschenden Meinung einen anderen Ursprung der Masse.

IZ:
Das heißt doch, dass es diese hohe Plancktemperatur von 10^32°K in der Urknalltheorie gar nicht gibt !
Treffen wir uns wieder in Genf zu unserem 4. Interview in Genf