Willkommen in der Planckwelt

Die 4. Quarkfamilie

Der LHC, das größte Mikroskop, das jemals von Menschenhand erdacht und gebaut wurde, ist wieder in Betrieb. Die Jagd nach dem Higgs-Boson beginnt. Das Higgs-Boson ist das letzte noch fehlende Elementarteilchen des Standardmodells. Die Verantwortlichen Von CERN sind überzeugt, dass mit dem LHC das Higgsteilchen gefunden werden muss, so es das Higgs gibt. Sind aber auch überzeugt, dass mit dem LHC etwas gefunden wird, ja gefunden werden muss.

Die Verantwortlichen hoffen, außer dem Higgs-Teilchen die ersten supersymmetrischen Teilchen nachweisen zu können. Bis jetzt gibt es keinerlei experimentelle Hinweise auf die supersymmetrischen Teilchen. Sollte die Supersymmetrie in der Natur verwirklicht sein, so müssen nochmals so viele Teilchen entdeckt werden, wie in den letzten 50 Jahren mit mühevollem Aufwand gefunden wurden. Die Supersymmetrie ist der bisher meist diskutierte Kandidat für die Erweiterung des Standardmodells .

Das Standardmodell der Elementarteilchen ist ein Erfolgsmodell aus dem letzten Jahrhundert. Aber dennoch ist es für die Physiker unbefriedigend . Es hat 18 freie Parameter, die durch das Experiment bestimmt werden und dann in die Theorie per Hand eingegeben werden. Zu diesen freien Parametern gehören auch die 6 Quarkmassen und die 6 Leptonenmassen. Wenn die Massenverhältnisse der Quarks und Leptonen von einer Naturkonstante abgeleitet werden können und durch Quantenzahlen definiert werden, dann wären 12 freie Parameter durch die Theorie eindeutig definiert. Dann hätte man nur noch 6 freie Parameter.

Eine weitere Möglichkeit , das Standardprogramms zu erweitern, wäre eine 4. Quarkfamilie und eine 4. Leptonfamilie. Voraussetzung wäre , dass die Neutrinos eine starke Massenhierarchie bilden würden und dass das 4. Neutrino eine extrapolierte Masse von mindestens der halben Z-Bosonen-Masse > 45 GeV hätte. Eine 4. Familie ist zur Zeit überhaupt kein Thema. Man hält am Dogma aus den 80-iger Jahren fest. Aber damals gab es noch keinerlei Anhaltspunkte für massive Neutrinos. Inzwischen sind Neutrino-Oszillationen nachwiesen, und diese setzen mindestens 4 Neutrinos voraus.

Die Forschungsergebnisse der nächsten 3 Jahre am CERN werden also auf jeden Fall mit großer Spannung erwartet.

Sie sollen uns einem Ziel näher bringen, von dem schon Einstein und Heisenberg geträumt hatten, der Vereinheitlichung aller Kräfte . Nach heutiger Vorstellung soll die Urkraft am Anfang der Welt für kurze Zeit existiert haben. Von dieser Urkraft spalteten sich die bekannten vier Kräfte, die Gravitationskraft, die starke Kraft, die schwache Kraft und die elektromagnetische Kraft nacheinander ab.

Heisenberg hatte sich das ehrgeizige Ziel vorgenommen, die Massenverhältnisse der damalig bekannten Elementarteilchen von einer gemeinsamen Naturkonstante abzuleiten. 1953 stellte er seine Weltformel mit großem Pomp der Öffentlichkeit. Nach allgemeiner Auffassung war sie ein Flop.

Mit der Planckwelt-Theorie wurde dieses ehrgeizige Ziel erreicht. Die Naturkonstante, von der die Massenverhältnisse der Quarks und der Leptonen abgeleitet werden, ist die natürliche Zahl e . Die Neutrino-Reihe , die u-Quark-Reihe, die d-Quark-Reihe und die Elektron-Reihe haben jeweils eine unterschiedlich starke Massenhierarchie, deren Steigung durch e², e²/6, e²/6, und e gegeben ist. Je kleiner die Ladung ist, desto stärker ist die Massenhierarchie.

Eines der großen Rätsel des Standardmodells ist die Massenhierarchie der Elementarteilchen. Das Standardprogramm kann die unterschiedlichen Massen der Quarks, der Leptonen und der Bosonen nicht erklären. Eigentlich sollten alle Elementarteilchen im Standardmodell die Masse 0 haben, was den experimentellen widerspricht. So existieren die Quarks und Leptonen in 3 Generationen, die sich hinsichtlich der elektromagnetischen, der schwachen und der starken Wechselwirkungen nicht unterscheiden. Sie unterscheiden sich nur in der Masse. Die experimentell ermittelten Massen müssen per Hand eingegeben werden, damit das Standardmodell funktioniert.

Nach allgemeiner Meinung spielt die Gravitationskraft im Standardmodell keine Rolle, weil die Gravitationskraft gegenüber der elektromagnetischen Kraft um einen Faktor 10^38 kleiner ist. Man verweist dann beispielhaft auf die gravitative und elektromagnetische Anziehung von Proton und Elektron. Die Schwäche der Gravitationskraft geht einher mit der Planckmasse, die um mehr als 16 Zehnerpotenzen größer ist als die bekannten Quark- und Leptonenmassen. Wie können die Massen dieser unterschiedlichen Größenordnungen nebeneinander existieren in der vierdimensionalen Raumzeit ?

Anbei ein Lösungsvorschlag :

Man akzeptiert, dass die Quarks und Leptonen in der vierdimensionalen Raumzeit des Standardmodells keine Massen haben. Damit ist das Standardmodell mathematisch konsistent. Das Standardmodell beschreibt die elektroschwache und die starke Wechselwirkung der Teilchen miteinander mit hoher Präzision. 3 Generationen können die Abwesenheit der Antimaterie nicht erklären. Die bisher festgestellten CP-Symmetrieverletzungen bei der 2. und der 3. Generation reichen nicht aus.

Die Quarkmassen können nach der Planckwelt-Theorie durch eine einfache Formel wiedergegeben werden. Im Vergleich zu den Leptonenmassen , die im Experiment präzise bestimmt werden, können die Quarkmassen wegen des Quarkeinschlusses nur indirekt bestimmt werden. Am genauesten werden noch die Quarkmassen der 3. Familie bestimmt. Bei den Quarkmassen der 1. Familie gibt es ein große Unschärfe. Deshalb werden die 2. und 3. Familie für die logarithmische Gerade verwendet.

Für die Quarkmassen gilt die Formel :

m = e ^ (e²/6 * n +1) n ist eine Quantenzahl

Für die u-Quark-Reihe gilt n = 0, 3, 6, (9)

In [MeV] 3 109 4400 177000

d- Quark-Reihe gilt n= 1, 5, 9, (13)

in [MeV] 9 1280 177000 13000000

Die Quarks der 2. und 3. Generation decken sich mit den experimentellen Werten . Die Quark-Massen verhalten sich wie Quanten. .

Es ist interessant, dass die Masse des superschweren u-Quarks der 4. Familie identisch wäre mit der Top-Quark-Masse.. Das Top-Quark wurde 1994 entdeckt und genau vermessen. Bisher nicht zu erklärende Ungereimtheiten bei den Zerfallreaktionen könnten einen Hinweis auf die Existenz einer 4. Generation geben . Was passiert eigentlich bei 172 GeV , dem inzwischen aktuellen experimentell ermittelten Wert für das Top-Quark ? Das Top-Quark wurde 1994 durch die starke Wechselwirkung zusammen mit seinem Antiteilchen erzeugt. Es hat eine Zerfallszeit von nur 10^-25 sec und hat damit keine Zeit zu hadronisieren . Es zerfällt in dieser Zeit unmittelbar in ein Bottom-Quark.

Im Jahr 2000 ist es am CDF erstmals gelungen , ein Top-Quark durch die schwache Wechselwirkung mit einem Bottom-Quark zu erzeugen. Man kann sich kaum vorstellen , wie nach der herrschenden Lehre durch Austausch eine W-Bosons dieser gewaltige Energiesprung vom Bottom-Quark zum Top-Quark realisiert werden kann. Bei der Annahme eines Bottom-Quarks der 4. Generation wäre es gut denkbar, dass durch die schwache Wechselwirkung mit einem W-Boson das Top-Quark entsteht, das dann weiter zerfällt in das normale Bottom-Quark .

Es gibt noch eine interessantere Interpretation:

Bei der Kollisionsenergie von 350 GeV entsteht ein Bottom-Quark-Anti-Bottom-Quark der 4. Familie. Das Bottom-Quark der 4. Familie wechselwirkt mit dem W-Boson und es entsteht das Top-Quark. Das Anti-Bottom-Quark der 4. Familie zerfällt durch Abgabe eines Skalar-Bosons zum Bottom-Quark der 3. Familie. Skalarbosonen sind notwendig für den Zerfallprozess innerhalb einer Quark-Typreihe . Die Masse dieses Skalarbosons ist im durch Experimente eingegrenzten Bereichs des Higgs-Bosons zwischen 120 und 200 GeV. Ist das ein Zufall ? Das neutrale Skalarboson wechselwirkt innerhalb der gleichen Quark-Typreihe . Es verändert nur Massezustände , verändert keine Ladungen und erinnert an die gravitative Wechselwirkung . An diesen Gedanken muss man sich erst gewöhnen

Auch die Leptonen-Massen verhalten sich wie Quanten. Für sie gilt :

m = e^ (e * n - 2/3 ) mit n = 0, 2 , 3, (5)

in [MeV] 0.511 118 1790 (410000)

Auch für das geladene Lepton der 4. Generation gibt es einen interessanten experimentellen Hinweis.

Die CDF-Kolloboration am Tevatron in Chicago fand bei einer Kollosionsenergie von 1 TeV eine überhöhte Myonen-Produktion, die sich mit dem Standardmodell nicht vereinbaren lässt. Noch verwirrender war, dass die Myonen außerhalb des Wechselwirkungspunkts detektiert wurden. Es muss bei 1 TeV ein Geistteilchen-Paar erzeugt worden sein, in dessen Zerfallkette Myonen auftauchen.

Gehen wir davon aus, dass bei der Kollision ein Tau-Anti-Tau Paar der 4 Familie entstanden ist . Bei der Quantenzahl 4 hätten wir eine Lücke. Das Tauon der 4. Familie hätte dann die Quantenzahl 5 . Nach der Massenfomel hätte das Tauon eine Masse von 410 GeV. Das Tauon-Anti-Tauon-Paar hätte dan zusammen eine Masse, die im Größenbereich der Kollisionsenergie liegt, wenn wir noch die kinetische Energie hinzuzählen. .

Sollte es das 4. Lepton-Paar geben, dann könnte ein tauonischer und ein myonischer Zerfallkanal entstanden sein, so wie analog bei der Erzeugung des Tauon-Paars ein myonischer und ein elektronischer Zerfallkanal entsteht .

Die experimentellen Ergebnisse der CDF – Kolloboration sind so rätselhaft, dass nur 200 Mitarbeiter den Mut hatten, ihre Unterschrift unter die Veröffentlichung zu setzen.

Eine 4. Teilchenfamilie steht und fällt mit der Masse der Neutrinos , insbesondere mit der Masse des 4. Neutrinos. Zerfallreaktionen des Z-Bosons Ende der 80-iger Jahre waren mit 3 Familien vereinbar. Das galt unter der Annahme, dass Neutrinos masselos sind . Experimente der letzten Jahre am Kamikande Reaktor in Japan bewiesen, dass die kosmischen Neutrinos eine geringe Masse haben und sich ineinander umwandeln, sie oszillieren. Die Elektron-Neutrinos wandeln sich auf dem Weg zur Erde um in Myon-Neutrinos . Damit wurde das Sonnenneutrino-Rätsel, das die Physiker mehrere Jahrzehnte lang beschäftigte , gelöst. Da bei den kosmischen Neutrinos die Massebestimmung indirekt und kompliziert ist, wird die Neutrinomasse jetzt beim Tritium- Beta-Zerfall experimentell bestimmt. Dabei ergeben sich experimentelle Obergrenzen. Massebehaftete und oszillierende Neutrinos sind mit dem Standardmodell nicht zu erklären. Neutrinooszillationen setzen nach theoretischen Erkenntnissen mindestens 4 Neutrinos voraus. Das 4. Neutrino soll dabei ein steriles Neutrino sein, d.h. es wechselwirkt nur über die Gravitation und es hat keine schwache Ladung.

Die Obergrenze nach den Ergebnissen des Katrin-Projekts der Universität Karlsruhe :

Elektron-Neutrino Muon-Neutrino Tau-Neutrino 4. Neutrino

< 0.000013 < 0.17 < 24 ( 45000 )

Wird eine logarithmische Gerade durch die obere Massengrenzen des Elektron-Neutrinos und des Tauon-Neutrinos gezogen, und extrapoliert zur 4. Familie , so erhält man für das Neutrino der 4. Familie einen Wert von ca. 45 GeV . Das entspricht der Masse von ½ Z-Boson.

Dabei wird bei den Neutrinos eine starke Massenhierarchie mit einer Steigung von e² angenommen.

Das Antineutrino der 4. Familie könnte damit mehrere Funktionen erfüllen. Wenn es steril ist und nur durch seine Gravitation wirkt, könnte es das Elementarteilchen sein, aus dem die Dunkle Materie besteht. Es könnte aber auch das Teilchen sein aus dem die Antimaterie besteht. Sterile Antineutrinos können mit normaler Materie nicht wechselwirken. Sie können neben normaler Materie existieren.

Da gibt es im November 2013 eine sensationelle Meldung. Mit dem größten Detektor der Welt , dem Icecube in der Antarktis, wurden 28 Neutrinos mit einer Masse von 30 TeV . das sind 30 000 GeV , gemessen. Jetzt steht der Jagd nach der 4. Teilchenfamilie am LHC nichts mehr im Wege.

Die Neutrinophysik hat noch einen weiteren interessanten Aspekt. Die anorganische Materie ist für Neutrinos weitgehend transparent. Das liegt am äußerst geringen Wirkungsquerschnitt. Wie sieht es aber bei organischer Materie aus ? Organische Materie hat sich so organisiert, dass sie aus Proteinen mit linksdrehenden Aminosäuren und aus DNS mit rechtsdrehenden Zuckern besteht. Hat man da schon über den Wirkungsquerschnitt nachgedacht ? Hier tun sich für die zukünftige Neutrinophysik interessante Perspektiven auf.