Willkommen in der Planckwelt

Die Masse - das letzte Geheimnis der Teilchen-Physik

Im Pavillon de Breteuil nahe Paris ist das Urmaß für die Masse aufbewahrt , ein Barren von 1 kg Platin , von Menschenhand gemacht. Das Original hat inzwischen 50 µg weniger Masse als seine 3 Kopien in Braunschweig . Man vermutet , dass Wasserstoffgas ausgedampft ist. Welches kg ist nun verbindlich? Für Physiker bedeutet diese Frage einen höchst unbefriedigenden Zustand. Beim Urmaß der Länge gab es bis vor kurzem mit dem Urmeter eine ähnliche Situation. Die Längenmessung ist jetzt über die Lichtgeschwindigkeit an die Zeitmessung gekoppelt, und die Zeit wird jetzt in Braunschweig mit der Cäsium-Atomuhr gemessen. Am liebsten wäre es den Physikern, wenn sie die fundamentalen Maße von den Naturkonstanten ableiten könnten, und wenn die gesamte Physik auf dem festen Fundament der Naturkonstanten ruhen würde.

Bei der Masse ist das schwierig , denn wir wissen immer noch nicht , was die Masse eigentlich ist . Ist sie eine fundamentale Teilcheneigenschaft oder eine abgeleitete Größe ?

Die Masse m tritt in der physikalischen Welt dreifach in Erscheinung :

1. Als Materiemenge in einem bestimmten Volumen mit einer bestimmten Dichte

2. als schwere Masse in einem Gravitationsfeld

3. als träge Masse bei der beschleunigten Bewegung

Einstein hat in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie die experimentelle Gleichheit von träger und

schwerer Masse auf ein solides theoretisches Fundament gestellt :

Gravitation und die damit verbundene Bewegung schwerer Massen sind eine Folge der Krümmung der Raumzeit.

In der Elementarteilchenphysik hat man durch aufwändige Beschleuniger die Materiemenge auf im Raum unterscheidbare Elementarteilchen reduziert und im Standardmodell in einem Muster geordnet.

Die Elementarteilchen haben im sonst so erfolgreichen Standardmodell keine Masse.

Erst durch die Kopplung an das skalare Higgsfeld erhalten sie ihre Masse.

Je größer die Kopplung , desto größer ist die Masse.

Mit dem weltweit größten Beschleuniger, dem LHC, werden die Physiker ab 2007 mit Milliarden Euro Aufwand nach dem Ursprung der Masse suchen . Sie wollen das Higgs-Boson mit statistischer Sicherheit nachweisen. Lässt sich das Higgs- Boson nicht nachweisen, müssen sich die Physiker nach einer neuen Theorie umschauen. Wird es im Experiment mit statistischer Sicherheit nachgewiesen, ist aber das Massenspektrum der Elementarteilchen und die Massenhierarchie immer noch nicht erklärt.

In der Praxis der Elementarteilchenphysik werden die Massen der Elementarteilchen experimentell zum Teil mit hoher Präzision bestimmt und die erhaltenen Werte dann per Hand in das Standardmodell eingeführt. Das dadurch erhaltene Massenspektrum der Elementarteilchen ist bis jetzt unverstanden.

Welches Muster hat es ? Gibt es eine Struktur ? Wodurch entsteht die Massenhierarchie ?

So kommt Erstaunliches zu Tage , wenn man den natürlichen Logarithmus der Massen und der Massenverhältnisse bildet:

So ist z.B. ln [ m(Tau) / m(Elektron)] = 3 e

Die Familienzahl erscheint jetzt als Quantenzahl und die natürliche Zahl e ist ein herausragender Faktor .

Die Massenzustände der Leptonen können im Gegensatz zu denen der Quarks weltweit mit hoher

Präzision experimentell bestimmt werden. So wie die Zeitdauer seit 1960 durch zwei Quantenzustände

des Cäsiumatoms bestimmt wird , könnte die Masse durch zwei bekannte Leptonen-Massenzustände

definiert werden, denn in der Zeit der Nanoteilchen ist das Urkilogramm nicht mehr zeitgemäß.

Aus der Sicht der Planckwelt-Theorie ist das Elektron der Leptonen-Grundzustand. Das Myon und

das Tauon sind thermodynamisch angeregte Zustände, die im Bruchteil einer Sekunde unter Abgabe

eines Neutrinos wieder in den Grundzustand übergehen.

Im Folgenden werden die Massenverhältnisse auf eine theoretische Basis gestellt :

Die Gleichung S= k ln W wird umformuliert in ln W = S/k

Die Entropie S ist nach der Boltzmann-Gleichung ein Maß für die Wahrscheinlichkeit W und

die Information H ein Maß für die Unwahrscheinlichkeit W^-1. Information ist mit der Entropie

verwandt , Information ist Negentropie. Das Entropiequantum ist die Boltzmannkonstante k.

Es mag ungewöhnlich sein, einem Elementarteilchen thermodynamische Zustandsgrößen, wie

Entropie, Negentropie oder sogar Temperatur zuzuschreiben. Diese Größen beschreiben im

allgemeinen den Zustand eines Ensembles von Teilchen. De Broglie hat in seiner

Thermodynamik_des_isolierten_Teilchens dieses Ensemble dem subquantischen Milieu zugewiesen.

Mit den virtuellen Teilchen des Vakuums steht das Teilchen in Wechselwirkung. De Broglie , der sich

verdient gemacht hat mit der Erklärung des Welle-Teilchen-Dualismus durch seine kompakte Formel

p= h / Lambda , hat damit in einem weiteren Schritt die Thermodynamik als Basis für die

Vereinheitlichung der Physik weiter entwickelt.

Wird die Neg-Entropie quantisiert , dann erscheint ein Muster von Unwahrscheinlichkeiten, das mit

dem Massenspektrum der Elementarteilchen weitgehend übereinstimmt.

Die Quarks und die Leptonen können dann in einem Quantenmodell dargestellt werden, das

gegenüber der üblichen Darstellung in der wissenschaftlichen Literatur die Quantennatur der

Elementarteilchen-Massen und damit die Quantennatur der Gravitation anschaulich zeigt.

Masse ist nach der Planckwelt-Theorie materialisierte Information. Der Ursprung der Masse liegt in

der Neg-Entropie des Teilchens . Jedes Teilchen hat demnach eine Ladungsstruktur, die durch

Information definiert wird.

Um einen Vergleich von Veltman aufzugreifen:

So wie das Löschpapier die Tinte aufsaugt, so saugt das Teilchen mit seiner jeweiligen

Ladungsstruktur im alles durchdringenden skalaren Temperaturfeld Entropie auf und erhält so seine

Massenenergie .

Auch wenn das Proton nicht mehr als Elementarteilchen , sondern als zusammengesetztes Teilchen

betrachtet wird, so gilt der Wert der Masse des Protons doch immer noch als Rätsel . Sie wird

experimentell präzise mit 938 MeV gemessen . Das Massenverhältnis zum Elektron mit 1834 : 1

beschäftigt Generationen von Physikern. Die Massen der u u d – Quarks tragen als Valenz-Quarks

nur zu 1 % zur Masse bei und bei großen Energien erscheint das Proton als ein komplexes Gebilde mit

den 3 Valenz-Quarks, den Gluonen und virtuellen See-Quarks. Woher erhält das Proton seine relativ

große präzise Masse. Steckt ein verstecktes Prinzip dahinter ? Welches Prinzip erzwingt das

Massenverhältnis von Proton und Elektron ? Ist es wieder das Prinzip der Quantisierung ?

Und jetzt können wir wieder staunen :

Logarithmiert man zweimal hintereinander den Wert 1834 , ln (ln 1834)

dann kommt man auf die ganze Zahl 2 ( mit einer Fehlerabweichung von <1 % ) .

Für die Massen der Elementarteilchen gilt allgemein :

Je mehr Erhaltungssätzen das Teilchen genügt, umso größer ist die Masse,

und umso größer ist der experimentelle Aufwand, das Teilchen bei der Teilchenkollision im

Beschleuniger zu finden.

Albert Einstein , ein Meister der wissenschaftlichen Abstraktion, hat im Nachsatz zu seiner Speziellen

Relativitätstheorie die Masse als Energie definiert. Seine Formel E = mc² wurde weltberühmt und

sie gilt als vorläufige Weltformel des 20. Jahrhunderts . Einstein unterscheidet zwischen der

Ruhemasse und dem Massenanteil , der durch kinetische Energie bewirkt wird .

Higgs-Mechanismus

In der Planckwelt-Theorie wird die Ruheenergie weiter differenziert . Die Ruheenergie ist

thermodynamische Energie . Sie ist eingefrorene Information. Sie ist nicht in einem Massepunkt

konzentriert , sondern sie hat eine Struktur.

Quarkfamilien