Willkommen in der Planckwelt

8. Interview in München

Das Xi cc++ Baryon und die Dunkle Materie

IZ:
Willkommen zu unserem 8. Interview in München ! Die Gravitation begleitet uns im Alltag. Wir stellen uns auf die Waage, um unser Körpergewicht zu kontrollieren. Wir treten auf das Gaspedal , um unseren PKW zu beschleunigen und die Trägheit zu überwinden. Fahrgeschäfte auf dem Oktoberfest machen uns die Gravitation in vielen Variationen erlebbar. Und doch verbirgt die Gravitation noch viele Rätsel, und das macht sie für die Wissenschaft so interessant. So wurde der Nachweis der Gravitationswellen mit dem in Hannover entwickelten Detektor LIGO am 3.10.2017 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet.

Autor:
Das wohl größte Rätsel der Physik ist derzeit die Dunkle Materie. Die Sterne bewegen sich am Rande der Galaxien schneller, als es das Gravitations-Gesetz von Newton erlaubt. Zusätzliche Gravitation in Gestalt der Dunklen Materie ist erforderlich, um der erhöhten Fliehkraft entgegenzuwirken. Aus welchen Teilchen besteht die Dunkle Materie ? Sind es Teilchen, die wir mit dem Standardmodell der Elementarteilchen erklären können, oder müssen wir neue Teilchen jenseits des Standardmodells ausfindig machen ? Diese Frage macht die Astrophysik und die Elementarteilchenphysik so spannend. Der LHC wurde in 15 Jahren mit erheblichen finanziellen Aufwand gebaut, um das Higgsboson, den letzten Baustein des Standardmodells der Elementarteilchen, nachzuweisen und auch die Teilchen zu finden, aus denen die Dunkle Materie besteht.

IZ:
5 Jahre nach Entdeckung des Higgsbosons wurde im Juli 2017 am LHC ein neues Teilchen gefunden, das Xi cc++ Baryon. Es ist nach ereignisarmer Zeit um dieses Teilchen ein regelrechter Hype entstanden. Zeitschriften und Medien veröffentlichten den offiziellen Pressetext. Schlussfolgerungen wurden nicht gezogen. Was macht das Xi cc++ so interessant ?

Autor:
Das Xi cc++ ist das erste Baryon mit 2 schweren Quarks der 2. Familie. Mit den 2 charm-Quarks und einem u-Quark erreicht es eine neue Größenklasse der Massen. Die Masse des Xi cc++ ist 3.7 GeV und damit viermal so schwer wie die des Protons. Sie wurde vom Standardmodell der Elementarteilchen vorhergesagt. Xi- Baryonen mit 2 schweren Quarks bilden eine Familie. Vor 10 Jahren wurde am Fermilab beim SELEX- Experiment ein Xi-Baryon mit 2 charm-Quarks und einem d- Quark nachgewiesen. Dieses Xi-Baryon Xi cc + hat eine elektrische Ladung und ist somit ein ultraschweres Proton. Mit einem Mµon zusammen , würde es ultraschweren Wasserstoff bilden, der sich vom normalen Wasserstoff nur durch die größere Masse unterscheidet. Leider konnte es nicht mehr reproduziert werden, und die Masse stimmte auch nicht mit den theoretischen Berechnungen überein. Xi- Baryonen zerfallen innerhalb von 10^-12 s über Zwischenstufen zum stabilen Proton.

IZ:
Sie sprachen von einem Hype über ein neu entdecktes Teilchen in Genf. In den sozialen Medien wird das zur Kenntnis genommen, aber teils mit spöttischen Bemerkungen hinsichtlich des Aufwands quittiert.   Wissenschaftlichen Fortschritt will man nicht erkennen, weil man dieses Teilchen nicht einordnen und ihm auch keinen Sinn abgewinnen kann. Sie haben hingegen schon angedeutet, dass diese Xi- Teilchen eine Revolution auslösen können.

Autor:
Nach herrschender Meinung leistet das Xi cc++ einen Beitrag , die starke Wechselwirkung besser zu verstehen. Die 2 schweren Quarks werden demnach vom leichten Quark wie in einem Planetensystem umrundet. Mit Gravitation hat das wenig zu tun.   Nach meiner Hypothese sind die Xi- Teilchen zusammen mit den beiden schweren Leptonen Bausteine der Dunklen Materie. Die Baryonen und die Leptonen sind bei den hohen Temperaturen des Plasmazustands nicht gebunden. Sie senden somit keine Strahlung aus. Die Ladungserhaltung ist aber gewährleistet. Sie wirken nur durch Gravitation.

IZ:
Wie kommt man eigentlich auf die Idee, mit bescheidenem Aufwand eines der größten Rätsel der Physik lösen zu wollen, ohne die Mainstream-Meinung weiter zu beachten ?

Autor:
Nach der Mainstream-Meinung soll die Dunkle Materie aus Neutralinos , dem Superpartner des Neutrinos, bestehen. Bisher gibt es keinerlei Anzeichen, das die Supersymmetrie überhaupt realisiert ist. Noch kein einziges Teilchen der Supersymmetrie wurde nachgewiesen. Die Masse des Neutralinos ist nicht bekannt. Wie beim Higgsboson weiß man nicht, wo man suchen soll. Mit der Masse des Xi cc++ von 3.7 GeV haben wir hingegen einen konkreten Wert für die Teilchenmasse der Dunklen Materie. Das stimmt mit den Beobachtungsdaten überein.   Die Dunkle Materie erzeugt am Rande der Galaxien die 4 bis 6 fache Gravitation der Wasserstoffwolken. Voraussetzung ist, dass das Xi cc++ oder das Xi cc+ auch dem ultraschweren Wasserstoff entspricht, der in normalen Wasserstoff zerfällt. Seit der Aufsehen erregenden Entdeckung im Juli 2017 ist davon ausgehen.

IZ:
Sie geben den Xi-Baryonen mit ihren beiden schweren Quarks eine neue zusätzliche Bedeutung. Was macht sie so zuversichtlich, dass nicht die Neutralinos sondern die Xi-Baryonen zusammen mit den Leptonen die Bausteine der Dunklen Materie sind. Die Dunkle Materie, die die zusätzliche Massenanziehung erklärt, ist mittlerweile unbestritten.

Autor:
Die Bewegung der Planeten in unserem Sonnensystem weicht vom Newton´schen Gravitationsgesetz nicht ab. Die Planeten bewegen sich in der Reihenfolge von innen nach außen mit abnehmenden Geschwindigkeiten. Nachdem es keine Abweichungen gibt, ist Dunkle Materie im Sonnensystem auch nicht messbar. Das sieht in unserer Spiralgalaxie, der Milchstraße, anders aus. Die Geschwindigkeiten der Sterne in einer Entfernung von 25 000 Lichtjahren von uns nehmen im steigenden Abstand vom Zentrum der Galaxie nicht ab, sondern sie bleiben gleich.   Das ist nur mit zusätzlicher Gravitation in Form von Dunkler Materie nach heutigem Kenntnisstand zu erklären. Ohne Dunkle Materie würden die Sterne am Rand der Galaxie und die Wasserstoffwolken , in die sie eingebettet sind und aus denen sie auch entstanden sind,   durch die Fliehkraft ins All hinaus getragen.

IZ:
Besteht die Dunkle Materie aus Neutralinos, wie zur Zeit diskutiert, oder aus Xi – Baryonen und den schweren Leptonen , was neue Forschungsergebnisse nahelegen ?

Autor:
Nach aktuellen Computeranalysen bildet im Universum die Dunkle Materie filamentartige Strukturen. Die Strukturen bilden Halos aus einer neuen Form von Materie. In diesen Halos entstehen Galaxien durch den Zerfall dieser Materieform . Gehen wir bei dieser Materieform von ultraschweren Wasserstoff aus, dann entsteht am Ende der Zerfallskette der stabile Wasserstoff. Der Nachweis dieser neuen Materieformen ist mit der Erzeugung der Xi Baryonen in Reichweite des LHC, was man von den Neutralinos, den leichtesten Teilchen der hypothetischen Supersymmetrie nicht behaupten kann.

IZ:
Es überrascht mich, dass es in unserem Sonnensystem keine Dunkle Materie geben soll.   Wir brauchen daher auch nicht in aufwändigen Versuchen danach zu suchen. Das kann ich akzeptieren. Ich kann jedoch nicht nachvollziehen, wie das Xi cc++ mit einer Zerfallszeit von 10^-12s Bestandteil der Dunklen Materie sein soll.

Autor:
In der Astrophysik messen wir die Dopplerverschiebung des Lichtspektrums, das wir von den leuchtenden Sternen empfangen. Aus der Rotverschiebung schließen wir auf die Geschwindigkeit der Sterne . Die gemessenen Geschwindigkeiten sind mit dem Newton´schen Gravitationsgesetz nicht vereinbar. Wir messen auch die Rotverschiebung der 21 cm Linie des Wasserstoffs und stellen fest, dass wir Wasserstoff detektieren, der weit über den sichtbaren Bereich der Sterne hinausgeht.   Die Geschwindigkeit der riesigen Wasserstoffwolken sind mit dem Gravitationsgesetz erst vereinbar, wenn sie 4 – 6 mal so schwer wären. Wasserstoff wäre dann so schwer, wenn er aus den Quarks und Leptonen der 2. Familie bestehen würde. Die aktuellen Versuche am LHC zeigen, dass der ultraschwere Wasserstoff aus Xi-Baryonen und Leptonen bestehen und am LHC hergestellt werden könnte. Es gibt einen entscheidenden Unterschied zu den Laborbedingungen des LHC, und das sind die unterschiedlichen Vakuumtemperaturen. So wird am Rand der Galaxienscheibe eine Temperatur von 10 000 °K gemessen. Das Schwarze Loch der Milchstraße ist von einem Bulge aus heißem Gas mit der Temperatur von vielen Millionen Grad umgeben. Bei Licht, das 25 000 Lichtjahre unterwegs ist, muss daher auch der Temperaturgradient, wie ihn das Urknallmodell vorgibt, und die stärkere Raumzeitkrümmung berücksichtigt werden. Bei hohen Vakuumtemperaturen sind Xi- Baryonen stabiler. Die niedrige Vakuumtemperatur im Sonnensystem erklärt auch, warum es im Sonnensystem keine Dunkle Materie gibt. Bis zu einer Entfernung von 13 000 Lichtjahren haben Forscher keinen Einfluss von Dunkler Materie nachweisen können.

IZ:
Es wird sich zeigen, inwieweit die Hypothese, dass die Dunkle Materie aus heißen Baryonen mit mindestens 2 schweren Quarks des Standardmodells der Elementarteilchen besteht, sich durchsetzen kann und welche Voraussagen möglich sind ?

Autor:
Die Xi- Baryonen bilden eine Familie mit den elektrischen Ladungen -1 , 0, +1, +2 . Für die Ladungserhaltung sorgen das Myon und das Tauon. Xi-Baryonen können am LHC erzeugt und nachgewiesen werden. Wenn ihre Massen bestimmt sind, dann eröffnet sich eine interessante Form der Massen-Spektroskopie. Die Abweichung der Bahnkurven der Sterne vom Newton´schen Gravitationsgesetz lässt dann Rückschlüsse zu auf die Zusammensetzung der Dunklen Materie. Das erinnert an die Spektroskopie der elektromagnetischen Strahlung des Sonnenlichts vor 150 Jahren, die immerhin zeigte, dass unsere Sonne aus Wasserstoff und Helium besteht. Der hohe Anteil von Helium war damals eine Überraschung.

IZ:
Da wird am LHC mit großem Aufwand das neue Teilchen mit dem exotischen Namen Xi cc++ nachgewiesen. Der Steuerzahler fragt sich, was soll daran so wichtig und bedeutend sein. Gibt es auf der Welt nicht genug Probleme, die wir mit diesem investierten Geld lösen können ?

Autor:
Die Frage liegt nahe und ist auch berechtigt. Als vor über 100 Jahren das Elektron des Wasserstoffatoms durch elektromagnetische Strahlung in einen energetisch angeregten Zustand versetzt wurde, und dieser Zustand auch noch berechnet werden konnte und als die Frage beantwortet werden konnte , warum das Elektron nicht in den Kern stürzte, sah niemand die Konsequenzen voraus. Wenn wir jetzt in Wohlstand leben, dann haben wir das auch den Erkenntnissen von damals zu verdanken. Diese Erkenntnisse konnten in mathematische Formeln gefasst werden und in Produkte des Alltags umgesetzt werden. 120 Jahre später sind wir in der Lage , für kurze Zeit den Atomkern in einen höheren energetischen Zustand zu versetzen. Die kinetische Energie des Protons { uud+ } wird in die Massenenergie des ultraschweren Xi cc++ umgewandelt. Es ist eine Frage der Zeit, wenn das am LHC auch mit dem Xi cc+ , dem ultraschweren Proton, gelingt. Nachdem wir gelernt haben, die elektroschwache und die starke Wechselwirkung zu verstehen und zu nutzen, steht die gravitative Wechselwirkung im Fokus von Wissenschaft und Forschung. Wasserstoff ist ein wichtiger Energieträger und steht unbegrenzt zur Verfügung, da er durch die Elektrolyse des Wassers mit Hilfe der Photovoltaik erzeugt werden kann. Ein PKW mit Brennstoffzelle wird mit 5 kg hochverdichteten flüssigen Wasserstoff demnächst eine Reichweite von 500 km erreichen.