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Physik Nobelpreis 2013

3. Interview in Genf

Autor:
Am 10.Dezember, dem Todestag von Alfred Nobel, wurde der Physik Nobelpreis 2013 vom schwedischen König an Peter Higgs und an Francois Englert überreicht. Sie werden geehrt für eine Idee , auf deren experimentelle Bestätigung sie 50 Jahre warten mussten. Englert hatte den Mechanismus entwickelt, wie die Bosonen der schwachen Wechselwirkung durch ein Hintergrundfeld zu ihrer Masse kommen. Higgs hatte erstmals das Teilchen postuliert, das zu diesem Hintergrundfeld gehört. Nach ihm wird dieses Teilchen benannt. Erst 2012 wurde mit dem LHC der Stand der Technik erreicht, um das Teilchen
zweifelsfrei durch einen Zerfall in 2 Gammaquanten mit einer statistischen Sicherheit von 6σ nachzuweisen. Es war ein Triumpf europäischer Wissenschaft und Technik. In den Medien, in Rundfunk, Fernsehen, in Magazinen und Fachzeitschriften wird die theoretische Leistung von Higgs und Englert gewürdigt. Wir möchten diese Leistung auf unsere Art würdigen. Wir stellen Fragen, und wir geben darauf die Antworten, die wir in unseren Interviews erarbeitet haben. Deshalb mögen unsere Fragen auch interessant sein . Die erste Frage lautet : Warum hat das Higgsboson gerade die Masse von 126 GeV ?

Autor:
Das war und ist immer noch die 1000 € - Frage. Die 4-Seiten-Publikation von Peter Higgs ist ein Meisterstück von Effizienz, aber sie gibt keine Antwort darauf, welche Masse sein postuliertes Teilchen hat. In den letzten 50 Jahren wusste es auch niemand. Deshalb mussten in aufwändigen Versuchen die Massenbereiche des zu erwartenden Higgsteilchens eingegrenzt und ausgeschlossen werden. Wenn die experimentell gefundene Masse des Higgsboson jetzt eingeordnet werden kann in das bis jetzt unverstandene Massenspektrum der Elementarteilchen, dann bedeutet das einen enormen Erkenntnisgewinn. Mit der Higgsformel wird das erreicht. Schon bei der Entdeckung des Topquarks war klar, dass es einen Zusammenhang zwischen dem Vakuumerwartungswert v , der Masse des Top-Quarks, der Masse des Higgsbosons und der Masse des Z-Bosons geben muss. Die Higgsformel gibt diesen Zusammenhang mit einer einfachen Formel wieder. m = v e ^(-n/3) für n = 0 , 1 , 2 , 3
Für n= 2 erhalten wir für das Higgsboson den Wert 126 GeV . Wie damals beim Periodensystem der Elemente wird eine freie Stellen besetzt. Die Higgsformel zeigt die Bedeutung der dimensionslosen Eulersche Zahl e für das Verständnis der Masse.

IZ:
Die Eulersche Konstante e ist die dimensionslose Kopplungskonstante an den Vakuumerwartungswert und sie beantwortet auch die Frage, wie das Top-Quark, das schwerer als das Higgs-Boson ist, zu seiner Masse kommt. Doch kommen wir zur zweiten 1000 € - Frage . Warum hat das Elektron die Masse 0.511 MeV ? Warum haben die 6 Quarks die Massen, die gemessen werden ?

Autor:
Es ist die Frage nach dem Massenspektrum der Elementarteilchen, und es ist ein bisher ungelöstes Problem der Elementarteilchen-Physik. Quarks und geladene Leptonen koppeln an den Vakuumerwartungswert v mit den Yukawa- Kopplungskonstanten und erhalten so ihre Massen.

m = v e^ -(e²/6 * n - 1/3) für n= 0, 3, 4, 6, 8, 9 t, b, c, s, u, d

m = v e^ -(e * n - e^-2/3) für n= 2, 3, 5 τ, μ, e

Es ist mit der Skalensymmetrie vereinbar, wenn die Quarks und geladenen Leptonen auch an das Higgs-Boson koppeln und so ihre Massen erhalten, auch wenn die Top-Quarkmasse größer ist als die Masse des Higgs-Bosons.

IZ:
Die Yukawa-Koeffizienten werden von der Eulerschen Zahl e und der Quantenzahl n abgeleitet. Ähnlich wie beim radioaktiven Zerfall kann der Vakuumerwartungswert in Stufen bis zu den Quarks und Leptonen der 1. Teilchenfamilie zerfallen. Das Massenspektrum der Elementarteilchen lässt sich mit der natürlichen Zahl e berechnen. Das ist ein spannender Gedanke, wenn man noch bedenkt, dass sich die Zahl e durch einen einfachen Kettenbruch mit ganzen Zahlen herleiten lässt. Doch kommen wir zur nächsten 1000 $ – Frage. Was ist das Higgsfeld ?

Autor:
Das Higgsfeld wird in den Medien verglichen mit einer sirupartigen Flüssigkeit , die durch Reibung die lichtschnellen Teilchen des SM verlangsamt und damit den Teilchen ihre Masse geben. Das Higgsfeld ist ein Skalarfeld, das das ganze Universum erfüllt und alles durchdringt. Es verschwindet nicht. Damit ist das Higgsfeld vergleichbar mit dem Temperaturfeld. Die absolute Temperatur ist überall und kann nie Null werden. Das verbietet der 3. Hauptsatz der Thermodynamik. Zum Temperaturfeld gehören Wärmeladungen. Wärmeladungen sind nach einem neuen didaktischen Konzept Entropiequanten. Die lichtschnellen Teilchen des Standardmodells stoßen mit den Wärmeladungen zusammen, werden abgebremst, verleiben sich die Wärmeladungen ein und erhalten ihre Masse nach mc²= S T . Das kleinste Entropiequantum, und somit die kleinste Wärmeladung, ist die Boltzmannkonstante k . Elementarteilchen haben neben der elektrischen Ladung, der Spinladung, der Hyperladung, der Farbladung nun auch noch eine ( negative ) Wärmeladung. Damit können wir jetzt auch die Teilchen der 3 Familien unterscheiden, die hinsichtlich der anderen Ladungen identisch sind. Das Higgsfeld ist als thermodynamische Äther zu sehen. Er ist für Licht transparent, und wir kommen nicht in Konflikt mit der Speziellen Relativitätstheorie. Licht und Wärme , Photonen und Phononen, sind zwei unterschiedliche Erscheinungen der Physik.

IZ:
Sie haben das Higgsfeld mit dem Temperaturfeld verglichen. Die Temperatur ist eine wichtige Größe der Thermodynamik. Sie hat bisher keinen Platz in der Elementarteilchenphysik gefunden. Kommen wir zur nächsten 1000 € - Frage. Ist das Higgs-Boson dafür verantwortlich , dass es keine Antimaterie gibt ?

Autor:
Die Physiker haben den Glauben an die Antimaterie nicht verloren. Mit dem AMS-02 – Detektor in der ISS-Weltraum-Station wird die kosmische Strahlung mit komplexen Messgeräten analysiert, in der Hoffnung, Spuren von Antiteilchen aufzuspüren. Antiteilchen sind Teilchen, die nach Richard Feynman in der Zeit zurücklaufen. Seit 50 Jahren wissen wir durch Experimente, dass es keine exakte Zeitsymmetrie gibt. Die Zeitsymmetrie und die Spiegelsymmetrie sind gebrochen. Das Problem ist, dass die Brechung der Zeitsymmetrie nicht ausreicht , um die Abwesenheit der Antimaterie zu erklären. Wir müssen eine Anleihe in der Physikalischen Chemie machen. Eine chemische Reaktion ist reversibel im thermischen Gleichgewicht. Die Zeitsymmetrie bleibt erhalten . Es wird dabei keine Entropie erzeugt. Ist die chemische Reaktion irreversibel, wird die Zeitsymmetrie gebrochen und Entropie erzeugt. Die chemische Reaktion läuft dann in eine Richtung. Zerfallsprozesse sind irreversibel. Interessant wird es, wenn wir in der Higgsformel die Naturkonstante e → 0 gehen lassen , dann geht auch die Masse des Higgsbosons gegen 0 , aber auch die Masse des Top-Quarks als Fermion und die Masse des Z- Bosons. Bei der Masse 0 könnte sich das Z-Boson über das Higgsboson in ein Topquark verwandeln und umgekehrt das Top-Quark über das Higgsboson in ein Z-Boson. Es ist nur ein Gedankenspiel, aber es macht die Rolle des Higgsbosons als Skalarboson deutlich, und es zeigt, welche Rolle die Masse und die Eulersche Zahl e für die Irreversibilität und die Brechung der Zeitsymmetrie spielen. Mit e → 0 kommen wir zum Standardmodell ohne Higgsteilchen und mit dem Vakuumerwartungswert = 0 , in dem alle Elementarteilchen die Masse 0 haben und sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.

IZ:
Kommen wir zu einer weiteren 1000 € - Frage. Ist die Supersymmetrie in der Natur realisiert ? Der LHC wurde gebaut, um neben dem experimentellen Nachweis des Higgsbosons auch erste supersymmetrische Teilchen zu finden. Die Supersymmetrie ist eine Raumzeitsymmetrie. Jedes Fermion hat ein Boson als Partnerteilchen. Fermionen wandeln sich um in Bosonen und umgekehrt. Wie kann man sich den Bezug zu Raum und Zeit vorstellen ?

Autor:
Das Top-Quark hat eine elektrische Ladung von +2/3 e und einen Spin von ½ h quer. Das Higgsboson hat weder Ladung noch Spin sondern nur Masse. Das Z-Boson hat keine Ladung und einen Spin von h . Wir können die elektrische Ladung als Zeitquant und den Spin als Raumquant auffassen. Wenn das Top-Quark über das Higgsboson in ein Z-Boson zerfällt, dann verwandelt sich die elektrische Ladung in eine zusätzliche Spinladung. Zeit verwandelt sich in Raum und dabei wird die Masse reduziert, und das alles geschieht nicht kontinuierlich, sondern in Quanten.

IZ:
So jetzt kann ich mir endlich ein Bild darüber machen , was Fermionen und Bosonen und ihre Umwandlung mit Raum und Zeit zu tun haben. Ich habe eine weitere 1000 € - Frage . Wir wissen, dass das Standardmodell der Elementarteilchen nicht das letzte Wort sein kann. Es gibt 25 freie Parameter, die durch das Experiment bestimmt und per Hand in die Theorie eingefügt werden. Hierzu gehören u.a. die Massen der Elementarteilchen. Diese Art von Beliebigkeit kann nur durch eine Symmetrie reduziert werden. Die Supersymmetrie ist es offensichtlich nicht. Mit welcher Symmetrie kann das Standardprogramm erweitert werden ?

Autor:
Mit der Skalensymmetrie. Unsere Welt besteht auf der Ebene der Elementarteilchen aus dem u-Quark, dem d-Quark und dem Elektron. Aus diesen 3 Teilchen bestehen alle Dinge dieser Welt. Hinzu kommt noch das Elektron-Neutrino. Nachwievor rätselhaft ist es , dass es zu den 3 Elementarteilchen 2 schwere Kopien gibt, die sich nur durch die Masse unterscheiden. Die Natur ist sparsam. Welchen Sinn haben die beiden Kopien ? Sehen wir das Massenspektrum der Elementarteilchen als Zerfallsreihe des Vakuumerwartungswerts, dann machen die 3 Kopien Sinn. Die Massenwerte auf der logarithmischen Zahlengerade weisen Skalensymmetrie auf. Die Massen der Quarks und der geladenen Leptonen sind in gleichen Abständen auf der logarithmischen Zahlengeraden mit den Steigungen –e²/6 und -e angeordnet.

IZ:
Wenn Mr. Higgs und Mr. Englert am 10.Dezember den Physik-Nobelpreis 2013 erhalten haben, werden ihre wissenschaftlichen Arbeiten gewürdigt. Werden dann einige der 1000 € - Fragen gestellt, auf die Sie eine Antwort gegeben haben ? Wie geht es jetzt weiter, nachdem eine Jahrzehnte lange Suche zu Ende ist ? Treffen wir uns zu unserem nächsten Interview in Berlin

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