Willkommen in der Planckwelt Jenseits des Standardmodells

Das Standardmodell der Elementarteilchen wurde vor 40 Jahren geschaffen und gilt als Meisterstück der modernen Physik. Ein Satz von Gleichungen hat Platz auf einer DINA4-Seite und beschreibt die elektroschwache und die starke Wechselwirkung. Der Baukasten des Standardmodells enthält 12 Quarks, 12 Leptonen und die 12 Bosonen der beiden Wechselwirkungen. All diese Elementarteilchen wurden in den letzten Jahrzehnten nachgewiesen . Die Entdeckungen wurden mit zahlreichen Nobelpreisen belohnt. Der experimentelle Nachweis des letzten Teilchens des Standardmodells steht noch aus: Es ist das Higgs-Boson, das den Elementarteilchen ihre Masse verleihen soll.

Mit dem LHC am CERN hofft man, das ominöse Higgsboson innerhalb der nächsten 3 Jahre mit statistischer Sicherheit nachzuweisen. Die Achillesferse des größten Beschleunigers, den die Physik jemals gebaut haben, ist das vakuierte Ringsystem mit einem Umfang von 27 km, das bei der Temperatur des flüssigen Heliums betrieben wird. Diese Temperatur ist nötig, um das starke Magnetfeld der supraleitfähigen Magnete aufrechtzuerhalten.

Und doch wird das Standardmodell des Elementarteilchens nicht als endgültige Theorie angesehen. Die Theorie enthält 25 freie Parameter. Sie werden durch die Experimente ermittelt und in die Theorie eingeführt. Erst dann funktioniert die Theorie.

Eine Strategie, das Standardmodell zu erweitern, ist das SSM, die supersymmetrische Erweiterung. Jedes Fermion hat einen Superpartner, ein Boson und umgekehrt. Die Zahl der Teilchen verdoppelt sich. Bisher wurde noch kein einziges supersymmetrisches Teilchen im Experiment gefunden.

Die Superstringtheorie enthält ein Teilchen mit einem Spin von 2h. Dieser Spin wird dem Graviton zugeschrieben. Für die Gemeinde der Physiker ist das Hinweis dafür, dass die Superstringtheorie als erste Theorie alle 4 Wechselwirkungskräfte einschließlich der Gravitation beschreibt. Viele sehen in ihr die zukünftige Weltformel. Jedoch wurde auf der Basis dieser Theorie bisher noch kein einziges Teilchen gefunden. Sie ist noch nicht einmal in der Lage, die mit hohem Aufwand gemessenen Massen der Elementarteilchen abzubilden. Sie gibt keinerlei Bezug zum erfolgreichen Standardmodell der Elementarteilchen.

Und doch gibt die Superstringtheorie Hinweise wie das Standardmodell weiterentwickelt werden kann.

Die Superstringtheorie ist nur in 11 Dimensionen mathematisch konsistent, ohne mathematische Unendlichkeiten. 6 Dimensionen sind dabei im Bereich der Planklänge aufgerollt. Was sind Dimensionen ? Dimensionen sind voneinander unabhängige mathematische oder physikalische Größen, die einen Zustand beschreiben. Es müssen nicht unbedingt nur Raumdimensionen sein. Es können auch Zeitdimensionen sein. Aber auch Ladungen können einen Zustand beschreiben.

Bei der Darstellung der Elementarteilchen , der Quarks, der Leptonen und der Bosonen, fällt auf, dass die einzelnen Ladungen der Elementarteilchen nicht konsequent angegeben werden. Dabei gibt es 6 voneinander unabhängige Ladungen : die Spinladung, die schwache Ladung, die elektrische Ladung, die starke Farbladung, die schwere Ladung der einzelnen Generationen und die Quark-Leptonladung. Bei Berücksichtigung der Ladungen gäbe es über 200 verschiedene Quarks, Leptonen und Bosonen. Im Standardmodell wären das über 200 unterschiedliche Massepunkte mit der Dimension 0 .

Deutet man die 6 aufgerollten Dimensionen der Superstringtheorie , die dort überhaupt keine Bedeutung haben, als Ladungsdimensionen eines 6-dimensionalen Ladungsraums, dann käme man mit einem Urteilchen aus, das durch 6 unterschiedliche Ladungen beschrieben wird. Jedes Elementarteilchen wird dann durch 6 Parameter dargestellt. Vergleichbar ist das mit dem Periodensystem der Elemente. Alle chemischen Elemente, einschließlich ihrer Isotopen, lassen sich in einem 2-dimensionalen Raum durch 2 Zahlen definieren, der Ordnungszahl ( Protonenzahl) und die Nukleonenzahl (Protonen + Neutronen) .

Ma kann somit im Standardmodell der Elementarteilchen eine 6-dimensionale Ladungsstruktur mit ihren Erhaltungssätzen erkennen.

Neben den 6 inneren Dimensionen gibt es 5 äußere Dimensionen. Das Standardmodell hat als Basis die 4-dimensionale Raumzeit. Was ist dann die 5. Dimension und wie kann man sich die 5. Dimension vorstellen ? Wenn wir den Raumvektor als Basisvektor definieren, dann spannt er mit der Zeitdimension eine Fläche auf. Die 5. Dimension steht dann zu dieser Fläche senkrecht. Bezeichnen wir die 5. Dimension als imaginäre Zeit. Den Raumvekor r²= x² + y² +z² kann man sich relativ leicht vorstellen.

Eine Physik jenseits des Standardmodells wäre dann eine Physik mit einer 5-dimensionalen Raumzeit. Wir können uns auch vorstellen, dass das jetzige Standardmodell der Elementarteilchen mit seinen Unzulänglichkeiten und seinen freien Parametern ein Projektion aus einer 5-dimensionalen Raumzeit auf unsere 4-dimensionale Raumzeit ist. So wie Google-Map die Städte nur in der Flächen-Dimension wiedergibt . Eine Stufenpyramide wird man von oben nur als ein Quadrat mit ineinanderverschachtelten Quadraten erkennen. Erst der Blick von der Seite wird die Höhe der Stufen und das Muster der Quadrate zeigen.

Bei der 4-dimensionalen Betrachtung des Standardmodells sehen die Physiker die Massenpunkte der Quarks, Leptonen und Vektor-Bosonen als rein zufälliges Muster. Für die Massenhierarchie haben die Physiker keine Erklärung. Warum ist das Top-Quark so schwer wie ein Gold-Atom ?

Ein bisher ungelöstes Rätsel ist die Existenz von 3 Familien, genannt auch Generationen, der Leptonen und Quarks. Warum gibt es zu dem u-Quark und d-Quark und zum Elektron, die unsere Materie aufbauen, jeweils Schwesterteilchen, die sich nur in ihrer Masse unterscheiden und sich hinsichtlich der elektromagnetischen, der schwachen und starken Wechselwirkung gleich verhalten ?
Kehren wir zum Ladungsmodell zurück, dann erscheint es konsequent, dass sie unterschiedliche schwere Ladungen tragen. Mit der Berücksichtigung der schweren Ladung entsteht auch ein Bezug zur gravitativen Wechselwirkung, die man im Standardmodell nicht erkennen will.

Die schweren Ladungen zeigen ihren Quantencharakter, wenn wir zum logarithmischen ( reziproken) Raum übergehen.

Bilden wir den natürlichen Logarithmus der Massenverhältnisse entlang der u-Quark, der d-Quark und der e-Reihe, dann ergibt sich ein einfaches Muster :

ln {Lepton} = n e für n= 0 , 2, 3 ( e ist die Eulersche Zahl)
ln {Quark } = n e²/6 für n= 0, 1 , 3, 5 , 6 , 9

Es folgt daraus : Die Familien sind nichts weiter als Quantenzahlen !

Wenn wir den Bezug zum Bohrschen Atommodell herstellen, was wird dann angeregt ? Die Wirkung kann es nicht sein. Sie ist schon für die Anregung der Atomzustände vergeben.

Es ist die Entropie, eine weitere wichtige Basisgröße der Physik. Die Formel von Boltzmann S= k ln W verknüpft den logarithmischen Raum mit dem arithmetischen Raum. Die Entropie tritt in Quanten auf wie die Wirkung. Die Masse ist eine thermodynamische Größe. An der Phasengrenze, an der sich die schwache Wechselwirkung von der elektroschwachen Wechselwirkung abspaltet, nimmt das vorher masselose Teilchen Entropiequanten auf. Und da nicht beliebig (Neg-)Entropie aufgenommen werden kann, ergibt sich auch das ganz konkrete Massenspektrum der Elementarteilchen, das in aufwendigen Experimenten ermittelt worden ist. Die kosmische Temperatur T bildet dabei das Hintergrundfeld mit einer vergleichbaren Funktion wie das Higgs-Feld. Die thermodynamische Erklärung für den Ursprung der Masse erklärt das Massenspektrum, was die Higgs-Theorie nicht leisten kann. Mit dem Nachweis des Higgs-Teilchens am LHC will man erst die Masse der W-Bosonen und des Z-Bosons auf eine theoretische Grundlage stellen. Die Erklärung des Ursprungs der Fermionen-massen hat man sich für später vorgenommen.

Wenn die Familien nichts weiter als Quantenzahlen sind, dann stellt sich doch die Frage , warum es keine 4. Familie gibt. Oder gibt es sie doch ?

Die 4. Familie gibt es nur unter einer Voraussetzung : Die Masse des 4. Neutrinos muss im Bereich mehrerer Protonenmassen liegen. Nachdem das Z-Boson 1983 am CERN bravourös nachgewiesen wurde, wurden auch die einzelnen Zerfallskanäle ausgemessen. Das Z-Boson mit 90 GeV kann auch in Neutrinos und Antineutrinos zerfallen. Bei der Annahme masseloser Neutrinos, stimmten die experimentellen Ergebnisse mit der Familienzahl 3 überein. Seit dieser Zeit hat sich die Zahl 3 in den Köpfen festgesetzt.

In der Zwischenzeit konnte durch die sensationellen Experimente am Kamiokande-Neutrino-Detektor in Japan nachgewiesen werden, dass Neutrinos und Antineutrinos eine Masse haben. Die Neutrinos der 3 Familien wandeln sich ineinander um. Die Elektron-Neutrinos, die von der Sonne kommen, wandeln sich auf dem Weg zur Erde teilweise in Myon-Neutrinos um. Erst als Detektoren entwickelt wurden, die zwischen Elektron-Neutrinos und Myon-Neutrinos unterschieden, konnten die Neutrinoumwandlungen zweifelsfrei nachgewiesen werden. Seitdem ist das jahrzehntelange Rätsel der Sonnenneutrinos gelöst. Man konnte sich lange nicht erklären, warum nur die Hälfte der Neutrinos auf der Erde gemessen werden, die von der Theorie vorausgesagt wurden.

Die Umwandlung der Neutrinos setzt voraus, dass alle Neutrinos eine Masse haben. Und das war das erste experimentelle Ergebnis jenseits des Standardmodells. Das Standardmodell verlangt masselose Neutrinos. Über 30 Jahre lang hat das Standardmodell allen Angriffen getrotzt. Alle experimentellen Ergebnisse konnten durch das Standardmodell erklärt werden, auch wenn Nachbesserungen und Tricksereien notwendig waren, aber bei Voraussage der Neutrinomassen musste das Standardmodell passen.

Es stellt sich jetzt die Frage nach den Massenwerten der einzelnen Neutrinos. Gibt es auch hier eine Massenhierarchie wie bei den Quarks und bei Leptonen ? Wenn es ein 4. Neutrino geben soll, muss es diese Massenhierarchie geben und sie muss weit stärker ausgeprägt sein als bei den Quarks und Leptonen. Im logarithmischen Diagramm haben die Geraden der Quarkmassen-Werte der u-Reihe, der d-Reihe und der geladenen Leptonen unterschiedliche Steigungen, die durch die Eulersche Zahl e und e²/6 vorgegeben sind. Setzt man bei den Neutrinos die Steigung der Geraden mit e² an, dann erhält man ein theoretisches Ergebnis, das mit der Annahme eines 4. Neutrions und mit den bisherigen experimentellen Werten beim Zerfall des Tritiums vereinbar ist.

Die Bestimmung der Massenwerte der Neutrinos stellt sich als äußerst schwierig heraus. Bei den kosmischen Neutrinos erhält man Werte nur durch die Differenz der Massenquadrate und die sind ungenau. Absolute Massenwerte erhält man durch den beta-Zerfall beim Tritium. Die Massenwerte können aus dem Streuergebnissen der Elektronen, Myonen und Tauonen berechnet werden, wobei sich naturgemäß ein breites Band der erhaltenen Messwerte ergibt. Bei der Annahme des 4. Neutrinos wählt man die Messwerte an der experimentellen Obergrenze aus und extrapoliert sie hin zur 4. Quantenzahl.

Die Neutrinophysik und die voranschreitende Präzisierung ist Physik jenseits des Standardmodells. Als der damalige britische Premierminister im Jahre 1998 Thompson nach seiner Entdeckung des Elektrons in seinem Labor besuchte, fragte er ihn, was das Ganze eigentlich soll. Thompson antwortete ihm : " Sir, in 100 Jahren werden Sie das Elektron besteuern können ! " Es hat keine 20 Jahre gedauert, bis das Radio entwickelt und verkauft wurde. Und 40 Jahre später haben deutsche Ingenieure zur Olympiade in Berlin die erste Fernsehübertragung auf der Basis des Prinzips der Elektronenröhre stolz der Welt präsentiert.

Das Photon wurde von Einstein 1905 postuliert und 50 Jahre später wurden erste leistungsstarke Laser entwickelt. Das Prinzip der CD-Rom beruht auf dem Photon. In der Zwischenzeit revolutionieren Autoscheinwerfer auf der Basis des LED-Prinzips das Design der Autos. Man hat gelernt mit dem Photon umzugehen und es für technische und wirtschaftliche Anwendungen zu nutzen.

Man hat auch gelernt mit den freien Neutronen umzugehen, sie zim Graphit und im schweren Wasser abzubremsen und für Kernprozesse zu nutzen. Das freie Neutron und der Umgang mit ihm hat zum Gleichgewicht des Schreckens im Kalten Krieg beigetragen.

Was wird uns die Neutrinophysik bringen ?

Sie wird dazu beitragen, die jetzigen Rätsel der Gravitation und der Antimaterie zu lösen.

Wir benötigen massive und schwach wechselwirkende Teilchen (WIMPS), die für die Dunkle Materie verantwortlich sind. Ein Kandidat ist das leichteste Teilchen der Supersymmetrie, deren Teilchen bisher überhaupt noch nicht experimentell nachgewiesen werden konnten. Ein weiterer Kandidat wäre jetzt das 4. Neutrino, das konsequent aus dem Standardmodell heraus durch Extrapolation entwickelt werden kann. Das 4. Neutrino liefert Massen im Bereich des Wasserstoffs, die für die Wirkung der Gravitationskräfte benötigt werden.

Die notwendigen Energien für die ersten Teilchen der 4. Familie liefert der LHC. Die theoretischen Überlegungen durch Extrapolation zeigen, dass der LHC nicht ausreicht, die schwerstenTeilchen der 4. Familie nachzuweisen.

Antineutrinos, die bei schwachen Kernprozessen jetzt noch entstehen, sind der Baustein der strukturlosen Antimaterie. Antineutronos wechselwirken praktisch nicht mit Materie. Wir können daher in einem Meer von Antineutrinos schwimmen, ohne dass es zu der berüchtigten Zerstrahlung durch Gammastrahlen kommt.