Willkommen in der Planckwelt

X17 und das Dunkle Elektron

9. Interview in Hannover

IZ:
Ein neues Teilchen mit dem Namen X17 ruft weltweite Aufmerksamkeit hervor, ein Jahrzehnt nach dem Nachweis des Higgsbosons am LHC. Das Higgs-Boson zerfiel innerhalb von 10^-22s u.a. in zwei Photonen. Deren Zerfall in Elektron und Positronpaare wurde von den Detektoren im Winkel von 180 ° nachgewiesen. Das Standardmodell ist jetzt mit dem Higgs-Boson komplett. Die Suche nach den ersten Teilchen der Supersymmetrie war bis jetzt ergebnislos. Wie ist es jetzt zu dem Hype um das Teilchen X17 als ein lang ersehntes neues Teilchen seit 2012 gekommen?

Autor:
Am kernphysikalischen Institut Atomki der Akademischen Wissenschaften in Ungarn wurde Lithium-7 mit Protonen beschossen. Das entstandene angeregte radioaktive Beryllium-8 sendete Gammastrahlung aus, die in Elektron- und Positronpaare zerfiel. Eine besonders starke zusätzliche Emission wurde beim Winkel 140° beobachtet. Das ist eine Anomalie, die mit dem Standardmodell nicht erklärt werden kann. Der Ablenkwinkel von 140 ° zwischen Elektronen und Positronen kann nur mit einem neuen kurzlebigen Teilchen mit einer Masse von 17 MeV erklärt werden. Die ersten Versuchsergebnisse in 2016 wurden nicht ernst genommen und auf Messfehler zurückgeführt. Als beim Zerfall von radioaktiven Heliumkernen-4, die durch den Beschuss von Tritium entstanden, ebenfalls ein kurzlebiges Teilchen mit der Masse von 17 MeV detektiert wurde, begann nach der Veröffentlichung des ungarischen Teams am Atomki der Hype um das X17. Dieses Teilchen zerfiel in Elektron- und Positronpaare im Winkel von 115°. Jetzt wurde auch am CERN die Jagd nach dem X17 eröffnet. Der Detektor LHCb wird zur Zeit umgebaut. Erste Ergebnisse wird 2023 erwartet.


Bildquelle: Spiegel

IZ:
Ist das X17 ein Teilchen oder ein Boson, das auf eine 5. Kraft hinweist? Ist das X17 ein Teilchen des Standardmodells?

Autor:
Im Standardmodell können die Massen der Elementarteilchen zwar gemessen werden, ihre Werte können aber allgemein nicht erklärt und berechnet werden. Im rechten Diagramm haben die logarithmisch aufgetragenen Massen die Quantenzahlen 0,1,2,3,5. Die Massen der Quarks und geladenen Leptonen haben auf den 4 Geraden mit unterschiedlichen Rotationswinkeln gleiche Abstände. Sie sind skalensymmetrisch. Die Familienzahlen sind Quantenzahlen. Im Standardmodell wird die Gravitation gegenüber der elektromagnetischen Kraft vernachlässigt. Beim Proton und Elektron ist das Verhältnis 10^-36 ist. Wasserstoffatome ziehen sich am Rande der Galaxien durch die Gravitation deshalb zu Wasserstoffwolken zusammen, weil sich die anderen Ladungen durch die Erhaltungssätze aufheben. Wasserstoffwolken verdichten sich durch die Gravitation zu Sternen.

Die Rotationswinkel der 4 Geraden sind nicht beliebig sondern durch die SO(4)- Symmetrie festgelegt. Die SO(4)-Symmetrie enthält eine 3D-Rotation und eine Translation in Form eines Ellipsoids.

Für die massiven Eichbosonen gilt beim Vakuumerwartungswert v=246 GeV :
H Z m = v e^ ( -e°/3 n ) n = 2,3

Für die geladenen Leptonen gilt :
τ μ e m = v e^(+ e^-2/3 –e n ) n=2,3,5

Für das hypothetische X17 – Teilchen gilt:
X17 m= 2 v e^( + e^-2/3 - e n ) n= 4

Für die Quarks gilt:
b s d m = v e^ ( -1/3 - e²/2 n ) n = 1,2,3
t c u m = v e^ ( -1/3 -2 e²/3 n ) n = 0,1,2

Die Familienzahlen sind Quantenzahlen . Die Rotationswinkel der Geraden sind eine Funktion der Eulerschen Zahl e ab. Die Geraden sind längs der ln m –Achse verschoben. Bosonen, Quarks und geladene Leptonen haben damit unterschiedliche Vakuumerwartungswerte. Erstaunlicherweise ist bei den geladenen Leptonen die Quantenzahl 4 nicht besetzt. Sie entspricht einer Masse von 7.8 MeV . Zusammen mit dem Antiteilchen erhalten wir eine Ruhemasse von 15.6 MeV, die zusammen mit der kinetischen Energie der Masse des X17 nahekommt. Das obige Diagramm (Quelle: Spiegel ) zeigt die seltsame Trennung der beiden unterschiedlichen Prozesse. Das angeregte Heliumatom strahlt Gamma-Strahlung ab. Die Photonen zerfallen anschließend in Elektron- und Positronpaare. Der Winkel ist mit dem Standardmodell vereinbar. In einem millionstel der Fälle wird erst das X17 – Teilchen abgestrahlt, das dann im Winkel von 115 ° in Elektron- und Positron – Paare zerfällt. Der Strahlwinkel 115° kann durch das Standardmodell nicht erklärt werden. Das ist das eigentliche Problem!

IZ:
Ist das F17 ein neues Teilchen oder ist es das Dunkle Boson als Träger einer 5. Kraft, wie es das Team von Atomki behauptet?

Autor:
Das Photon ist ein Boson und das Austauschteilchen der elektromagnetischen Kraft. Mit der typischen Frequenz wechselt es ohne Ruhemasse zwischen negativer und positiver elektrischer Ladung. Das Z-Boson ist neben den beiden elektrisch geladenen W-Bosonen ein Austauschteilchen der schwachen Kraft. Wegen der kurzen Reichweite hat es ein Ruhemasse von 91 GeV und wird auch schweres oder Dunkles Photon genannt. Damit haben wir aber noch keinen Bezug zur Dunklen Materie und zu einer 5. Kraft. Wir können das F17 auch als einen angeregten Übergangszustand ansehen, der aus einem Teilchen mit der 15 mal größeren Masse des Elektrons und dem entsprechenden Anti-Teilchens besteht und Exziton genannt wird. Nach kurzer Zeit zerfällt das Exziton in ein Elektron und ein Positron, die von den Detektoren erfasst werden. Wie können mit dem Exziton die unterschiedlichen Abstrahlwinkel 140 ° und 115° erklärt werden ? Die Gammastrahlung breitet sich mit der Lichtgeschwindigkeit c aus. Für Teilchen mit einer Masse gilt hingegen v<c . Wir hatten vor 100 Jahren ein ähnliches Problem mit der Energie- und Impulserhaltung bei der schwachen Wechselwirkung. Damals postulierte Pauli ein neues Teilchen, das Neutrino, das später auch nachgewiesen werden konnte. Die Berechnung im Rahmen des Standardmodells m_X17 = 2 v e^( e^-2/3 – 4 e ) legt nahe, dass das X17 ein Exziton ist. Die Masse des negativ geladenen Teilchens des Exzitons liegt zwischen der Masse des Myons und der Masse des Elektrons und gehorcht der Skalensymmetrie. Für den zum Strahlwinkel 115° gehörenden Impuls wird das massive kurzlebige Exziton benötigt. Es stellt sich jetzt die spannende Frage: Gibt es das 4. geladene Lepton ? Gibt es das Dunkle Elektron ? Abweichungen von der Universalität der Leptonen beim Zerfall des Tauons und das abweichende magnetische Moment des Myons sind mit dem Standardmodell nicht zu erklären. Auch sie geben einen Hinweis auf ein 4. geladenes Lepton.

IZ:
Das Exziton ist ein außergewöhnliches Teilchen und besteht aus zwei Teilchen mit kurzzeitig getrennten Ladungen und ist eine alternative Erklärung für das X17 Teilchen. Gibt es für das Exziton ein anschauliches Beispiel aus der Natur.

Autor:
Das Exziton existiert für die kurze Zeit von 10^-15 s. Mit neu entwickelter Laser-Flashtechnik werden in diesem Zeitraum auch biochemische Prozesse verfolgt. Auf diese Weise wird die Photosynthese besser verstanden. Das auf das grüne Chlorophyll auftreffende Sonnenlicht erzeugt ein Exziton. Innerhalb von 10^-15 s muss das Elektron dem Reaktionszentrum zugeführt werden. Findet das Elektron das Reaktionszentrum nicht, vereinigt sich das Elektron mit dem Positron, dem Antielektron, und die auftreffende Sonnenenergie kann von der Pflanze nicht genutzt werden. In der Natur erzeugt jedes Photon ein Exciton und daraus entsteht ein Elektron, das chemisch für die Zuckersynthese gespeichert wird. Das ist ein Wirkungsgrad von 100 %. Mit unserer Photovoltaik auf Silizium-Basis sind wir bei 20 %. Die Natur bedient sich der Quantenmechanik. Für die Zeit von 10^-15 s ist das Elektron nicht nur ein Teilchen sondern verhält sich auch wie eine Wahrscheinlichkeitswelle. Es ist gleichzeitig an verschiedenen Orten und natürlich auch über dem Reaktionszentrum. Das ist ein schönes Beispiel für ein Exciton.

IZ:
Was hat das X17 mit der Dunklen Materie zu tun ?

Autor:
Die Existenz der Dunklen Materie ist unbestritten. Kann sie mit den Elementarteilchen des Standardmodells erklärt werden, oder benötigen wir neue Teilchen jenseits des Standardmodells? Die Hoffnung, mit dem LHC erste supersymmetrische Teilchen zu finden, ist inzwischen gering geworden. Das ist derzeit eines der großen Rätsel der Physik. Viel Forschungsgeld steht hierfür zur Verfügung. Im Gespräch ist der Future Circular Collider (FCC) , der nächste Teilchenbeschleuniger mit einer Umfangslänge von 100 km. Die Bewegung der Sterne inmitten der Wasserstoffwolken am Rande der Galaxis weichen vom Gravitationsgesetz Newtons ab. Das Gesetz stellte Newton auf, als er vor der wütenden Pest in London auf das Land flüchtete. Die Geschwindigkeit der Wasserstoffwolken und der Sterne ist so groß, dass sie eigentlich aufgrund der hohen Fliehkraft ins All geschleudert werden müssten. Die Wasserstoffatome müssen 4 bis 6 Mal so schwer sein, um die Gravitation zu erzeugen, die die Sterne auf ihrer beobachteten Bahn hält. Diese Gravitation wird der Dunklen Materie zugesprochen. Würde Wasserstoff aus den Quarks und dem Lepton der 2. Familie {ccs µ} bestehen, wäre er 4 mal so schwer wie normaler Wasserstoff und würde die Gravitation erzeugen, die der Dunklen Materie zugeschrieben wird. Am LHC wurde 2017 das Xi-Teilchen mit zwei schweren charm-Quarks {ccu++} nachgewiesen. Wenn es am LHC gelingen sollte, auch das Xi-Teilchen {ccd+} zu erzeugen, erhielten wir ein dunkles Proton und damit einen dunklen Wasserstoffkern. Wir bräuchten dann keine neuen exotischen Teilchen für die Dunkle Materie.

IZ:
Das sind interessante Gedanken zur Dunklen Materie, die die 2. Teilchenfamilie mit einbezieht. Die 2. Teilchenfamilie unterscheidet sich von der 1. Teilchenfamilie, die wir kennen, nur durch die unterschiedlichen Massen. Wir können das X17- Teilchen als Exziton, bestehend aus einem Dunklen Elektron und einem Dunklen Anti-Elektron, in die Struktur der Massen des Standardmodells einordnen. Dunkle Materie besteht aus Xi-Teilchen, die wir als schwere Protonen aus den Quarks der 2. Familie auffassen können und einem eingefangenen Dunklen Elektron. Wie lässt sich das mit den ultrakurzen Lebensdauern der Teilchen unter den Laborbedingungen des LHC vereinbaren?

Autor:
Der LHC arbeitet bei den tiefen Temperaturen der supraleitenden Magneten. Die Sterne am Galaxienrand sind von heißen Gaswolken umgeben. Das Röntgenteleskop des Satelliten Planck hat Gastemperaturen von über einer Million °K gemessen. Bei dieser Temperatur kann Dunkler Wasserstoff durchaus existieren. Unsere Phantasie wird immer noch beflügelt von der Zerstrahlung von Materie und Antimaterie, von Wasserstoff und Antiwasserstoff. Die Suche nach Antimaterie auf der ISS hat außer einigen Tausend Positronen keinerlei Hinweise auf Antiwasserstoff gebracht. Am CERN konnte Antiwasserstoff nur mit großem Aufwand erzeugt werden. Starke Magnetfelder mussten die wenigen Moleküle von der Behälterwand fernhalten. Die Dunkle Materie bringt eine neue Perspektive. Steht uns mit der Erzeugung von Dunklem Wasserstoff, mit dem Speichern und dem kontrollierten Zerfall des Dunklen Wasserstoffs in normalen Wasserstoff eine neue Energiequelle zur Verfügung ?

IZ:
In Zusammenhang mit dem X17 Teilchen wird immer wieder von der 5. Kraft gesprochen. Gibt es eine 5. Naturkraft, zusätzlich zur Gravitationskraft, zur elektromagnetischen Kraft und den beiden Kernkräften.

Autor:
Es gibt diese 5. Naturkraft und diese 5. Kraft hält uns zur Zeit weltweit in Atem. Diese Kraft müssen wir verstehen, wenn wir sie bekämpfen wollen und müssen. Eine Kraft beruht immer auf einer Polarität. Beim Virus ist das die Polarität zwischen polarisiertes Licht linksdrehende und rechtsdrehende asymmetrische Kohlenstoffverbindungen. Wenn wir die Symmetrie dieser Kraft verstehen, dann gewinnen wir Zeit, die wir für den Kampf so dringend benötigen.

Gibt es die Urkraft?

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