Willkommen in der Planckwelt
2. Interview in München

Ultraschwerer Wasserstoff und Dunkle Materie
IZ:
Willkommen zu unserem 2. Interview in München ! Nach der Bestätigung des Higgsbosons durch den Nobelpreis 2013 ist es ruhig geworden in der Populärwissenschaft. Erwartet wird eine zündende Idee, die die Physiker wieder begeistert. Könnte diese Idee eine plausible Antwort auf die Frage sein, woraus die Dunkle Materie besteht ? Das ist derzeit das größte Rätsel der Physik. Nach herrschender Meinung besteht die Dunkle Materie aus den WIMPS. Das sind schwach wechselwirkende Elementarteilchen mit einer Masse von 100 GeV . Aussichtsreichster Kandidat ist das Neutralino, das supersymmetrische Partnerteilchen des Neutrinos. Bei unserem Interview in Dresden haben Sie einen interessanten und originellen Vorschlag gemacht. Demnach besteht die Dunkle Materie aus ultraschweren Wasserstoff. Es ist aber nicht der Wasserstoff, den wir kennen, sondern eine neue Form von Wasserstoff. Können Sie uns das nochmals erläutern ?

Autor:
Es gibt unterschiedliche Formen von Wasserstoff. Es gibt einmal den normalen Wasserstoff mit einem Proton und einem Elektron, dann den schweren Wasserstoff mit einem Proton, einem Neutron und einem Elektron.
Dann gibt es den superschweren Wasserstoff mit einem Proton, zwei Neutronen und einem Elektron, das sog. Tritium, und letztendlich noch das Wasserstoffmolekül, das aus zwei Wasserstoffatomen besteht. Allen Formen des Wasserstoffs ist gemeinsam, das ihre Masse nicht ausreicht, um die fehlende Gravitation zu erklären. Wir müssen den Wasserstoff auf eine andere Weise schwerer machen. Das erreichen wir, wenn wir uns den Wasserstoff aus den Quarks und den Leptonen der 3 Teilchenfamilien vorstellen. Unsere Welt, wie wir sie innerhalb unseres Sonnensystems kenn, besteht aus den Quarks und dem geladenen Lepton der 1. Familie. Die Wasserstoffatome aus den Quarks und dem geladenen Lepton der 2. Familie sind schwere Kopien des normalen Wasserstoffs. Sie unterscheiden sich nur in der Gravitationswirkung.

IZ:

Das ist ein revolutionärer Vorschlag. Warum sollte die sparsame Natur sich nicht der 3 Teilchenfamilien bedienen, die in aufwändigen Versuchen nachgewiesen wurden. Auf der einen Seite suchen wir in der Astrophysik nach fehlender Gravitation, und auf der anderen Seite suchen wir in der Hochenergiephysik nach dem Sinn der vermeintlich überflüssigen Quarks und Leptonen.

Autor:
Der Wasserstoff ist demnach in der ersten Phase nach dem Urknall nicht der gleiche Wasserstoff, den wir in unserem Sonnensystem vorfinden.

IZ:
Dunkle Materie ist nach unserem heutigen Verständnis die Voraussetzung, dass Galaxien überhaupt entstehen konnten. Die Temperaturunterschiede bei der kosmischen Hintergrundstrahlung wurden mit Abweichungen von +-0.0002 °K gemessen. Rechnet man zurück , dann wären die Fluktuationen der Temperatur kurz nach dem Urknall zu gering, um das Verklumpen des Wasserstoffs erklären zu können. Dunkle Materie muss die Fluktuationen am Anfang verstärkt haben. Am Anfang war der Wasserstoff. Aber wie konnte aus dem Nichts der Wasserstoff entstehen ?

Autor:
Wir kennen die Fluktuationen, die aus der Heisenbergschen Unschärferelation entstehen. Nach heutiger Auffassung ist das Vakuum nicht leer. Im Quantenvakuum entstehen virtuelle Teilchen und die zugehörigen Antiteilchen. Der Energieerhaltungssatz wird nicht verletzt , soweit es die Unschärferelation ΔE Δ t > h /4 π zulässt. Virtuelle Teilchen fluktuieren mit den zugehörigen Antiteilchen. Wenn wir mit Feynman davon ausgehen, dass Antiteilchen Teilchen sind, die in der Zeit zurücklaufen, dann fluktuiert auch die Zeit . Die Fluktuationen erzeugen eine berechnete Energiedichte des Vakuums, die so hoch ist, dass wir infolge der Raumzeitkrümmung den nächsten Straßenzug nicht erkennen würden . Der Unterschied zu unserer Welt ist gigantisch. Der Faktor 10^120 gilt als die größte Fehleinschätzung in der Physik.

      IZ:
Wenn dieser Widerspruch gelöst werden soll, dann muss es Fluktuationen geben, die die Fluktuationen, die aus der Heisenbergschen Unschärferelation entstehen, so kompensieren , das die Theorie mit der realen Welt der flachen Raumzeitkrümmung übereinstimmt.

Autor:
Genau ! Das sind die thermischen Fluktuationen.    Eine weitere Unschärferelation ist die Δ E / Δ T > k e mit der Boltzmannkonstanten k und der natürlichen Zahl e . Die Temperatur fluktuiert.

IZ:
Wie kann dann aus den Fluktuationen der Zeit und der Temperatur Wasserstoff entstehen ?

Autor:
Am Anfang war das Universum weitgehend symmetrisch. Das Wasserstoffatom hingegen ist asymmetrisch hinsichtlich der Masse des Protons und des Elektrons und bemerkenswert stabil.   Der Zerfall des Protons konnte trotz aufwändiger Versuche bisher nicht nachgewiesen werden. Erhalten sind beim Wasserstoffatom die Erhaltungssätze für den Spin, der schwachen Ladung, der elektrischen Ladung und der starken Farbladung. Aus klassischer Sicht umkreist das Elektron den Atomkern mit der Bahngeschwindigkeit von v= c / 137   und dem Bahndrehimpuls h .   Aus Fluktuationen ist das kleinste stabile Materieteilchen der Allgemeinen Relativitätstheorie entstanden.

IZ:
Was war die treibende Kraft ?   Welche Prinzipien der Natur stehen dahinter ?

Autor:
Treibende Kraft ist die fallende Temperatur . Das erste Prinzip ist der 2. Hauptsatz der Thermodynamik nach dem die Entropie ansteigt. Zum anderen gilt das Prinzip der kleinsten Wirkung. Und es gilt das CPT-Theorem.

IZ:
Was besagt das Theorem ?
Autor:
Die Symmetrien der Ladung, des Raums und der Zeit sind gebrochen. Werden die einzelnen Symmetrieoperationen hintereinander ausgeführt, dann ist die Symmetrie wieder hergestellt. Das sagt das CPT-Theorem aus.   Beim Abkühlen nach dem Urknall durchläuft das Vakuum mehrere Phasen.   Bei 10^28 °K spaltet sich die starke Kraft ab und die Zeitsymmetrie wird gebrochen. Bei 10^11 °K spaltet sich die schwache Kraft ab, und die Raumsymmetrie wird gebrochen. Die Natur unterscheidet zwischen rechts und links. Nach dem heutigen Stand reichen die Symmetriebrechungen jedoch nicht aus, um die Abwesenheit von Antimaterie zu erklären.

IZ:
Es kommt also noch ein weiterer Faktor dazu, der die Zeitsymmetrie bricht.

Autor:
Vorgänge, die die Zeitsymmetrie verletzen, bezeichnen wir als irreversibel . Obwohl bei den Kollisionsprozessen in den Beschleunigern Entropie erzeugt wird, wird die thermodynamische Energie bei den Berechnungen der Wirkungsquerschnitte nicht berücksichtigt. Das Massenverhältnis vom Proton zum Elektron mit 1840 : 1 ist ein Hinweis auf die Irreversibilität. Wie sieht die Irreversibilität beim ultraschweren Wasserstoff aus ? Das ultraschwere Proton ist ein Xi-Baryon . Es besteht aus den Quarks der 2. Familie { ccs } und hat eine Masse von 3700 MeV.   Das Myon hat eine Masse von 108 MeV. Das Massenverhältnis ist 34 : 1. Kann Ihrer Meinung nach ultraschwerer Wasserstoff am LHC erzeugt werden ?

Autor:
Aufsehen erregt im Jahr 2017 am LHC der experimentelle Nachweis des Xi cc++ Baryons. Es ist das erste Baryon mit 2 schweren Quarks. Es besteht aus dem u-Quark der 1. Familie und den beiden Charm-Quarks der 2. Familie.   Das Xi cc++ hat eine Masse von 3.6 GeV und zwei positive elektrische Ladungen . Seine Lebensdauer ist 10^-12 s und es ist mit dem Standardmodell kompatibel. Nachgewiesen , aber leider nicht mit dem Standardmodell der Elementarteilchen kompatibel , wurde bereits das Xi cc+ mit einer positiven elektrischen Ladung .    Es besteht aus einem d-Quark und 2 c- Quarks. Mit seiner einfachen positiven Ladung kommt es der Vorstellung von einem ultraschweren Wasserstoffkern schon näher .   Zusammen mit einem Myon erhalten wir ein Plasma aus ultraschweren Wasserstoff. Plasma ist der 4. Aggregatzustand bei dem positiv geladene und negativ geladene Teilchen bei hohen Temperaturen keine Bindungen eingehen und nebeneinander existieren. Xi-Baryonen bestehen als Familie aus Kombinationen von 2 schweren Quarks der 3 Teilchenfamilien.

IZ:
Fassen wir das alles noch einmal zusammen . Was ist neu an der Hypothese vom ultraschweren Wasserstoff ?

Autor:
Es gibt ausreichend Beweise für die Dunkle Materie mit der 4 bis 6-fachen Masse der leuchtenden Materie. Die leuchtende Materie, deren elektromagnetische Strahlung mit empfindlichen Sensoren gemessen wird, reicht nicht aus, um die Abweichungen vom   Newtonschen Gravitationsgesetz zu erklären. Nach meiner Hypothese besteht die Dunkle Materie aus einem Plasma von ultraschweren Wasserstoff, der sich aus Kombinationen der Quarks und Leptonen der 3 Teilchenfamilien zusammensetzt. Ultraschwerer Wasserstoff { ccd µ } und {ccs µ} hat die 3 bis 4-fache Masse des Wasserstoffatoms und zerfällt über Zwischenstufen in den normalen Wasserstoff { uud e }. Die Zwischenstufen sind schwere Baryonen und schwach wechselwirkende Mesonen. Erst die Mesonen auf der untersten Stufe, die Photonen, senden sichtbares Licht aus. Neue Teilchen für die Dunkle Materie jenseits des Standardmodells werden nicht benötigt. Übrigens hat das bisher schwerste hergestellte Baryon mit einem Bottom-Quark die 6-fache Masse des Protons.

IZ:
Das Xi cc+ ist das ultraschwere Proton, das sich vom Proton nur durch die Masse unterscheidet . Es ist instabil und zerfällt als Kaskadenteilchen in 10^-12 s in Zwischenstufen bis zum Proton. Nach dem ersten experimentellen Nachweis konnte es leider nicht mehr reproduziert werden. Im Gegensatz zum Xi cc++ ist es mit dem Standardmodell der Elementarteilchen nicht kompatibel. Es würde Sinn machen, den Versuch am LHC zu wiederholen und das XI cc+ als ultraschweres Wasserstoffatom nachzuweisen. Wie kann man sich Dunkle Materie aus einem Plasma von Xi cc+ und µ bei den kurzen Zerfallszeiten vorstellen ?

Autor:
Die Frage ist berechtigt. Die Weltraumteleskope der Astrophysiker sind nicht nur Zeitmaschinen sondern auch thermodynamische Maschinen. Wenn das eingefangene Licht vom Rand der Milchstraße mehr als 50 000 Lichtjahre unterwegs war, dann entstammt es auch einem ultraheißen Vakuum und einer stärker gekrümmtem Raumzeit. Eine Galaxie ist mit einem Halo von Dunkler Materie umgeben. Treffender wäre es zu sagen, in einem Halo aus Dunkler Materie ist eine Galaxie entstanden. Bei fallender Temperatur zerfällt das Halo aus ultraschweren Wasserstoff {ccs µ} und {ccd µ} in seinem Inneren und es entsteht durch Zerfallsprozesse stabiler Wasserstoff {uud e} , der sich durch Gravitation zu Wolken zusammenballt, aus denen bei weiterer Kompression durch die Gravitationskraft die leuchtenden Sterne der Galaxie entstehen.

IZ:
Sie machen einen originellen Lösungsvorschlag für das derzeit größte Problem der Astrophysik. Sie verbinden Ihre Antwort auf die Frage, woraus die Dunkle Materie besteht, mit der Erzeugung des Xi cc++ Baryons am LHC 2017, dessen Masse vom Standardmodell der Elementarteilchen vorausberechnet werden konnte. Ist das eine Alternative zum Neutralino.

Autor:
Das Neutralino ist eine Hypothese. Es setzt voraus, dass die Supersymmetrie verwirklicht ist. Seine Masse ist daher auch nicht bekannt. Das Massenspektrum der Xi-Baryonen mit jeweils 2 schweren Quarks kann am LHC ermittelt werden. Es ist in Reichweite des LHC. Xi-Baryonen können im Rahmen einer neuen Spektroskopie direkt Aufschluss geben über die Zusammensetzung der Dunklen Materie, mit der die Abweichungen vom Newton´schen Gravitationsgesetz erklärt werden können. Xi-Baryonen bestehen aus 2 schweren Quarks der 2. oder 3 Familie und einem leichten Quark. Ihre Massen sind mit den Vorgaben der Dunklen Materie vereinbar. Die Bedeutung des Xi cc++ wird allgemein darin gesehen, dass es dazu beitragen kann, die starke Wechselwirkung besser zu verstehen. Das schwere Xi cc++ Baryon aber als erstes, im Experiment am LCH nachgewiesene Teilchen der Dunklen Materie zu interpretieren, das würde es für die Populärwissenschaft aufregend und interessant machen. Die Auswirkung der Massen der Xi- Baryonen auf die großräumige Gravitation kann Impulse für die weitere Forschung geben und dazu beitragen, eine Brücke zwischen dem Standardmodell der Elementarteilchen und der Allgemeinen Relativitätstheorie zu schlagen.

Woraus besteht die Dunkle Materie

Physik Nobelpreis 2013