Willkommen in der Planckwelt

Die Krise der Physik und ihre Chance
3. Interview in Dresden

IZ:
Die Physik ist in der Krise. Nach dem großen Triumph des Higgsboson- Nachweises gibt es über den LHC in der populärwissenschaftlichen Literatur nichts nennenswert Neues zu berichten. Es ist ruhig geworden um den LHC, der größten und teuersten Maschine, die der Mensch je gebaut hat. Seit 2012 wurde kein Teilchen jenseits des Standardmodells gefunden, das das Rätsel der Dunklen Materie erklären könnte. Auf dem Weg zur Weltformel, die die Vereinigung der 4 Naturkräfte erklären soll, sind wir keinen Schritt weiter gekommen. Befindet sich die Physik in einer Sackgasse ?

Autor:
Das Standardmodell ist eine großartige Errungenschaft der Wissenschaft der letzten 30 Jahre. Es fasst das Wissen der Physik in wenigen Gleichungen zusammen. 25 freie Parameter müssen jedoch durch das Experiment bestimmt werden. Daher wird es als unvollständig gesehen. Alle Experimente des LHC beim letzten Durchlauf waren mit dem Standardmodell vereinbar. Hierzu gehörten u.a. der Zerfall des Higgsbosons in 2 Bottom-Quarks, die Penta-Quarks und das Xi-Hadron {ccu++ }, das aus 2 schweren Charm-Quarks besteht.

IZ:
Das Standardmodell weist eine bemerkenswerte Ordnung auf. Es unterscheidet zwischen den Fermionen als den Teilchen der Materie und den Bosonen, die die Wechselwirkungen übertragen. Die Materieteilchen sind in 3 Generationen gegliedert. Jede Generation besteht aus 2 Quarks und 2 Leptonen. Die Quarks und die Leptonen unterscheiden sich im Isospin und den elektrischen Ladungen. Warum ist das Standardmodells unvollständig, wenn es alle durch das Experiment gefundenen Teilchen wiedergibt und wenn keine Teilchen jenseits des Standardmodells gefunden wurden ?

Autor:
Das große Rätsel sind die Massen der Teilchen. Warum haben sie die Massen, die sie haben ? Es gibt hier bisher keine Erklärung. Die Massen erscheinen rein zufällig und gehören zu den freien Parametern. Sie haben den Rang von Naturkonstanten. Die Beliebigkeit der Massen kann nur durch eine neue Symmetrie beseitigt werden. Großer Hoffnungsträger war und ist noch die Supersymmetrie. Die Krise der Physik besteht u.a. darin, dass bisher kein einziges Teilchen der Supersymmetrie beim LHC gefunden wurde. Viele Zweifel bestehen daher an der Supersymmetrie.

Massenspektrum 2012

IZ:
Offenbar bringt uns die Supersymmetrie nicht weiter. Sie sehen die Chance in einer anderen Symmetrie, um die Beliebigkeit der Massen zu beenden. Warum fehlen in Ihrem Diagramm die Gluonen, das Photon, die W- Bosonen und die Neutrinos ?

Autor:
In diesem Diagramm sind die Massen auf der logarithmischen Y-Achse dargestellt. Auf den 4 Geraden haben die Massen gleiche Abstände. Die Massen sind skalensymmetrisch . Das Photon, die Gluonen und die Neutrinos haben im Standardmodell keine Massen. Die x-Achse zeigt mit den Quantenzahlen von 0 bis 5 den Quanteneigenschaft der Masse. Die 4 Geraden haben eine definierte Neigung und Verschiebung längs der Y-Achse, die durch eine Symmetrie so festgelegt sind, dass sie von der dimensionslosen natürlichen Zahl e abgeleitet werden können. Mit dem Vakuumerwartungswert v , der natürlichen Zahl e und den Quantenzahlen wird die Anzahl der freien Parameter reduziert. In diese Richtung muss es gehen. Bei der Supersymmetrie hingegen kommen 100 weitere freie Parameter für die zu entdeckenden Massen hinzu.

IZ:
Gibt es eine weitere Sackgasse in der Physik ?

Autor:
Das Wirkungsquantum h gehört neben der Lichtgeschwindigkeit c zu den wichtigen Naturkonstanten der 20. Jahrhunderts. Max Planck erklärte mit dem Wirkungsquantum h das Infrarot-Spektrum des Schwarzen Strahlers und begründete damit die Quantenmechanik, ohne die Produkte, wie Laser, LED, Smartphones nicht denkbar sind. Mit seinen Planckkonstanten verknüpfte er in einem Einheitensystem Länge, Zeit, Masse und Temperatur und schuf damit eine philosophische Grundlage, die bis in unsere Zeit Gültigkeit hat. Die Superstringtheorie und die Schleifenquantentheorie basieren auf der Plancklänge 10^-35 m. Konstanten, wie die Plancklänge und die Planckzeit, können durch Experimente nicht verifiziert werden. Theorie und Experiment gehen getrennte Wege, und das macht die Krise der heutigen Physik aus. Wie das neue Massen-Diagramm zeigt, ist der Vakuumerwartungswert v die Obergrenze der am LHC nachgewiesenen Massen. Im Standardprogramm ist kein Platz für die 4. Generation. Die Familienzahlen sind Quantenzahlen. Die Masse des Higgsbosons kann nach herrschender Meinung mit dem Higgsmechanismus nicht berechnet werden. Sie wird mit der Skalensymmetrie vom Vakuumerwartungswert v, der natürlichen Zahl e und der Quantenzahl 2 abgeleitet : m_h= v e^(-2/3) und m_Z = v e^(-3/3)

IZ:
Eine verbreitete Aussage ist, dass das Standardmodell die Gravitation nicht enthält. Wie sehen Sie das ?

Autor:
Massen sind Gravitationsladungen. Massive Körper bewegen sich in Raum und Zeit und ziehen sich nach den Gesetzen von Newton und Einstein an. Die herrschende Meinung ist nun, dass die Gravitation bei den am LHC gemessenen Massen vernachlässigbar ist , weil sich die Gravitationswechselwirkung zur elektromagnetischen Wechselwirkung wie 10^-32 verhält. Was will man eigentlich von den kleinsten Quanten der Masse an Gravitationswechselwirkung erwarten ? Die Quarks nehmen an der elektromagnetischen Wechselwirkung, der schwachen, der starken Wechselwirkung und an der Gravitationswechselwirkung teil. Die neue Grafik zeigt die Quantennatur der Massen.

IZ:
Die Quantengravitation soll mit der Superstringtheorie nachgewiesen werden, die zusätzlich zu den 4 Raumdimensionen noch 6 weitere Raumdimensionen bei der Plancklänge von 10^-35 erfordert. Wie soll man sich die 6 zusätzlichen Raumdimensionen vorstellen können ?

Autor:
Diese Vorstellung beruht auf der Kaluza-Klein-Theorie. Kaluza hatte in den 20-iger Jahren die Allgemeine Gravitationstheorie in 5 Dimensionen formuliert und Einstein damit verblüfft, dass diese Theorie die ART und die Maxwellschen Gleichungen enthielt. Für Klein war die 5. Dimension die Plancklänge. Die Theorie wurde in den 80-iger Jahren wieder aufgegriffen, als versucht wurde, alle 4 Wechselwirkungen in einer gemeinsamen Theorie zusammenzufassen. So kamen die Theoretiker dann zur 10-dimensionalen Superstringtheorie. Eine Dimension gibt die Freiheitsgrade der Bewegung und der Positionen im Raum wieder. Allgemein versteht man damit die 3 Dimensionen des Raums und als 4. Dimension die Zeit. Wir können die Freiheitsgrade auch als die Anzahl unterschiedlicher Ladungen eines Teilchens auffassen. Das Quark nimmt an allen 4 Wechselwirkungen teil und besteht aus 10 Ladungen im Ladungsraum. Die Ladungen werden durch die Symmetrien SO(4) x SU(3) x SU(2) x U(1) dargestellt, was an anderer Stelle näher beschrieben wird.

IZ:
Wo ist die Antimaterie ? Am Anfang der Welt soll die Materie und die Antimaterie sich in einem gigantischen Urknall vernichtet haben. Ein kleiner Teil der Materie blieb übrig und es entstand daraus unser Universum. Mit großem Aufwand sucht die Internationale Raumstation nach fernen Sternen und Galaxien aus Antimaterie. Ein Überschuss von Positronen wurde bisher detektiert. Führt dieses Bild von der Antimaterie in eine Sackgasse ?

Autor:
Dieses Bild von Antimaterie und Materie geht zurück auf Dirac, der die spezielle Relativitätstheorie mit den Maxwell-Gleichungen verknüpfte und aufgrund seiner Gleichung das Antielektron postulierte, das auch kurz darauf als Positron nachgewiesen wurde. Nachdem Antisterne bisher nicht beobachtet wurden, bietet sich die Erhaltung der elektrischen Ladung beim Wasserstoffatom an. Protonen und Elektronen entstehen aus dem Nichts und vereinigen sich zu Wasserstoffatomen. Aus den Wasserstoffwolken ist durch Evolution die Materie entstanden.

IZ:
Kommen wir zu einem weiteren Beispiel für die Krise der Physik. Die Abweichung der Sternbewegung vom Gravitationsgesetz Newtons am Rande unserer Milchstraße wird durch die Existenz Dunkler Materie erklärt. Besteht die Dunkle Materie aus neuen Teilchen jenseits des Standardmodells oder muss das Gravitationsgesetz modifiziert werden. Der Nobelpreis für Physik 2019 wurde der Erforschung der Dunklen Materie und der Dunklen Energie und der Entdeckung des ersten Exoplaneten gewidmet. Der Nutzen für die Menschheit im Sinne von Alfred Nobel hält sich dabei in Grenzen. Haben Sie eine andere Erklärung für die Dunkle Materie ?

Autor:
Seit dem Nachweis des Higgsbosons 2012 wurde selbst bei der Kollisionsenergie von 13 TeV kein Teilchen jenseits des Standardmodells gefunden, aus dem die geheimnisvolle Dunkle Materie bestehen könnte. Kandidaten, wie das Neutralino oder die WIMPS schieden aus. Alle Messergebnisse sind mit dem Standardmodell vereinbar. Röntgenstrahlenteleskope haben gezeigt, dass die Sterne von Millionen Grad heißen diffusen Gaswolken umgeben sind. Bei diesen Temperaturen vereinigt sich der Wasserstoff zu Helium. Ist das der Wasserstoff { uud e } , den wir kennen, oder entsteht bei diesen Temperaturen eine neue Materieform von Wasserstoff { ccs µ } , die wir noch nicht kennen ? Dieser neue ultraschwere Wasserstoff, der aus den Quarks und dem Lepton der 2. Generation besteht, ist 4 bis 6 mal so schwer wie der gewöhnliche Wasserstoff, der das häufigste Element im Kosmos ist. Im obigen modifizierten Standardmodell erhöhen sich die Quantenzahlen jeweils um 1.

IZ:
Dieses Modell, das die 4 bis 6 – fache Gravitation am Rande der Galaxie durch Anwesenheit der Dunklen Materie erklärt, ist innovativ und richtungsweisend. Kann diese neue Materieform am LHC erzeugt werden ?

Autor:
2016 ist es erstmals am LHC gelungen, die ersten schweren Baryonen mit 2 schweren Quarks zu erzeugen. Das Xi-on { ccu++ } besteht aus 2 charm-quarks hat eine Masse von 3,6 GeV , viermal so schwer wie die Masse des Protons. Die Lebensdauer ist 10^-12 s . Wird das u-Quark ersetzt durch das d-Quark , erhält man ein ultraschweres Proton { ccd+ } . Am Fermilab in den USA wurde dieses Proton erstmals detektiert, konnte aber nicht mehr reproduziert werden. Mit einem eingefangenen Myon erhält man eine Form des ultraschweren Wasserstoffs. Masse und Lebensdauer können dann gemessen werden. Mit am LHC erzeugten ultraschweren Wasserstoff wird die Krise zur Chance.

IZ:
Schwere Baryonen mit schweren Leptonen mit der vierfachen Masse des gewöhnlichen Wasserstoffs wäre das nicht die Lösung für das größte Rätsel der Physik ? Warum setzen sie sich nicht als Bausteine der Dunklen Materie durch ?

Autor:
beim Xi-cc++ steht die starke Wechselwirkung im Vordergrund. In der Modellvorstellung bewegen sich die beiden charm-quarks wie 2 Doppelsterne um sich selbst und werden vom u-Quark wie ein Planet umkreist. Die Gravitationskraft wird im Standardmodell gegenüber der starken Kernkraft bekanntlich vernachlässigt, obwohl sie existiert. Aus diesem Grund wird das ultraschwere Proton als Baustein der Dunklen Materie auch bisher nicht diskutiert, obwohl das Massenverhältnis gegenüber dem gewöhnlichen Proton mit 4: 1 ein interessanter Ansatzpunkt ist.

IZ:
in der obigen Darstellung der Massen des Standardprogramms fehlen die masselosen Elementarteilchen. Hingegen steht zwischen dem Vakuumerwartungswert v und dem Higgsboson in gleichen Abständen das stop-Quark. Ist das nicht bemerkenswert ?

Autor:
beim letzten Lauf des LHC wurden immer noch keine Anzeichen für ein supersymmetrisches Teilchen gefunden. Offenbar sind die Massen der supersymmetrischen Teilchen außerhalb der Reichweite des LHC. Deshalb wird auch der nächste Beschleuniger mit einem Umfang von 100 km geplant. Die Kosten würden sich auf über 10 Milliarden Euro belaufen. Das leichteste supersymmetrische Teilchen ist das stop-Quark. Bei einer exakten Symmetrie hat es die gleiche Masse wie das top-Quark und den Spin 0 . Überraschender Weise taucht die Masse des top-Quarks mit 176 GeV zweimal im obigen Massendiagramm auf.    Auf der Bosonen-Geraden ist m_stop = v e^-(n/3) GeV mit der Quantenzahl n=1    und auf der Quark-Geraden ist m_top= v e^-(2e²/3   n + 1/3)   GeV    mit n= 0.    Die Bosonengeraden hat ihren Drehpunkt in v. Bei der Quarkgeraden ist der Drehpunkt verschoben auf v-1/3 .   Eine Symmetrie , die eine 3D-Rotation mit zusätzlicher Translation beschreibt, ist die SO(4). Wenn wir die SU(3) – Symmetrie der starken Wechselwirkung als die einer Kugel sehen, dann hat die SO(4) die Symmetrie eines Ellipsoiden, vergleichbar mit der Symmetrie des Hühnereis.

IZ:
Die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie passen nicht zusammen, und das seit 100 Jahren. Jede der beiden Theorien beschreibt den Makrokosmos und den Mikrokosmos jeweils in hoher Präzision. Seit dem Nachweis des Higgs-Bosons 2012 sind wir bei der gemeinsamen Theorie nicht weiter gekommen. Auch das wird als Krise der Physik gesehen. Welche Prinzipien sind die Grundlage der gemeinsamen Theorie von der ART und der Quantentheorie ?

Autor:
Es gibt zwei fundamentale Prinzipien die jeweils von einer Naturkonstanten abgeleitet werden. Das eine Prinzip ist der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik. Nach diesem Prinzip strebt die Entropie einem Maximum zu. Das Schwarze Loch besteht aus reinster Gravitation und ist in der ART eine Singularität. Stephen Hawking ist es zu verdanken, dass er die Quanten-Thermodynamik als die dritte Theorie neben der ART und der Quantenelektrodynamik etabliert hat. Er hat das Schwarze Loch mit Hilfe der Thermodynamik beschrieben. Das Schwarze Loch ist von einem Ereignishorizont umgeben. Seine Fläche wird mit der Entropie des Schwarzen Lochs gleichgesetzt. Die Fläche des Ereignishorizontes bestehen aus Quadraten der Plancklänge. Sie entsprechen Quanten der Entropie. Aus didaktischen Gründen werden sie auch Wärmeladungen genannt. Am Ereignishorizont steht die Zeit still. 2019 wurde entdeckt, dass das Schwarze Loch unserer Milchstraße eine Masse von der Größe unserer Erde mit einer gewaltigen Wärmeentwicklung verschlingt. Das Prinzip der minimalen Wirkung ist das zweite fundamentale Prinzip. Erst mit dem Wirkungsquantum h als der herausragenden Naturkonstante des 20.- Jahrhunderts wurden die Anregungszustände des Wasserstoffelektrons und die Teilcheneigenschaft des Lichts verstanden. Die Formel A/h = S/k verbindet die Quantennatur der Wärme mit der Quantennatur des Lichts.

IZ:
Wir produzieren am LHC ein Übermaß an Daten. Sie werden vom größten Computernetz der Welt analysiert. Bis jetzt wurden keine Teilchen außer den Neutrinos gefunden, die nicht mit dem Standardmodell erklärt werden können. Das wird allgemein als Krise der Physik betrachtet. Können wir mit der Quanten-Thermodynamik und der Formel A/h=S/k das Standardmodell der Elementarteilchen erweitern ?

Autor:
Die Massen im Standardmodell gehören zu den freien Parametern. Nach dem Higgs-Mechanismus ist die Masse keine Teilcheneigenschaft, sondern sie ist ein Maß für die Kopplung des Teilchens an das Higgsfeld. Die auf m/v reduzierte Masse wird Yukawa-Kopplungskoeffizient genannt. Die Yukawakoeffizienten lassen sich mit der Formel W=e^-S/k berechnen. Das ist die umgeschriebene Boltzmann-Gleichung S=k lnW . Es gibt 4 verschiedene Wärmeladungen , für die Bosonen, die geladenen Leptonen und für die beiden Quarkarten. Die Wärmeladungen tragen Quantenzahlen und das sind die jeweiligen Familienzahlen. Die freien Parameter werden mit der Skalensymmetrie und der SO(4) reduziert. Das Standardmodell wird damit erweitert. Mit der reduzierten Entropie S/k haben wir eine dimensionslose Größe, die vom Mikrokosmos bis zum Makrokosmos skaliert.   Die Entropie hat noch eine weit größere Bedeutung, denn von ihr wird die Information als thermodynamische Größe abgeleitet. Information ist Negentropie und ein Maß für die Unwahrscheinlichkeit. Information ist die bedeutendste Größe des 21. Jahrhunderts geworden. Wenn das Schwarze Loch große Massen verschlingt, dann verschwindet hinter dem Ereignishorizont mit den Quantenzahlen und Ladungszahlen der Masse auch die Information im Inneren des Schwarzen Lochs.

IZ:
Wenn von der Krise der Physik geschrieben wird, dann ist auch die Natürlichkeit ein Thema. Wie wird die Natürlichkeit beim Higgs-Boson erreicht ?

Autor:
Das von der Theorie geforderte Higgs-Boson hat den Spin 0. Es ist ein Skalarboson. Es wechselwirkt nicht nur mit sich selbst und erhält so seine Masse, sondern es wechselwirkt mit allen Teilchen. Diese virtuelle Wechselwirkung durch die Vakuumfluktuationen aufgrund der Unschärferelation addiert sich zu Beträgen, die bis zum Bereich der Planckenergie reichen können und die Theorie unnatürlich machen. Das große Rätsel ist jetzt, warum das Higgs-Boson eine natürliche Masse von 125.5 GeV hat . Nach der aktuellen Theorie ist das nur durch die Feinabstimmung vieler Parameter möglich. Das macht die Theorie so unglaubwürdig.

IZ:
Wie erklären Sie jetzt, dass das Higgs-Boson eine Masse von 125.6 GeV hat mit einer natürlichen Theorie ohne diese Feinabstimmung ?

Autor:
Die experimentellen Ergebnisse am Tevatron und dann am LHC haben gezeigt, dass die Masse des Higgsboson mit der Masse des Z-Bosons und des top-Quarks im Zusammenhang steht. Der genaue Zusammenhang war bis 2012 nicht bekannt. Wenn wir jetzt auf die Yukawa-Kopplungskoeffizienten die Skalensymmetrie anwenden, kommen wir auf den überraschend einfachen logarithmischen Zusammenhang, der mit deen Quantenzahlen n= 1,2,3 erklärt werden kann. m/v = e^(-n/3)
Die Abweichung von den experimentellen Werten ist < 1%.