Bernhard
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In "Quantum field theory DeMYSTiFieD" von D. McMahon kann man ganz gut gegenlesen.
CERN: Higgs-Teilchen am LHC entdeckt?
- Ersteller astronews.com Redaktion
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Bernhard
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Hallo Tom,
ich bin nunmal kein Experte auf diesem Gebiet. Insofern kann ich das momentan auch nur zur Kenntnis nehmen.
TomS
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OK.
Ich habe nur eben den Eindruck, dass in den letzten Tagen sehr viel Halbwahrheiten und unexakte Statements produziert werden. Zwei davon sind, dass "das Higgs für die Massen im Universum verantwortlich ist" und dass "das Higgsteilchen die Massen erzeugt". Kleinigkeiten erscheinen ja angesichts der spektakulären Entdeckung (fast-Entdeckung) eher zweitrangig, sollten aber eben doch auch mal richtig gestellt werden.
Ich habe nur eben den Eindruck, dass in den letzten Tagen sehr viel Halbwahrheiten und unexakte Statements produziert werden. Zwei davon sind, dass "das Higgs für die Massen im Universum verantwortlich ist" und dass "das Higgsteilchen die Massen erzeugt". Kleinigkeiten erscheinen ja angesichts der spektakulären Entdeckung (fast-Entdeckung) eher zweitrangig, sollten aber eben doch auch mal richtig gestellt werden.
Bernhard
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Viel mehr kann und sollte man von einem wissenschaftlich orientierten Forum nicht erwarten
.EDIT: Lustigerweise fällt mir da noch ein, dass sich momentan auch ein gewisser Wandel im Sprachgebrauch vollzieht. Masse wird heutzutage angeblich mehr und mehr auch anstelle von Ruhemasse verwendet. Für mich ist das eher ungewohnt, aber es stärkt die Aussagen in den Medien, denn die Ruhemasse wird ja tatsächlich vom Higgs erzeugt (Neutrino-Masse mal vernachlässigt). Ich weiß aber was Du meinst und unterstütze diese Korrektur gerne.
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TomS
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Ja, man spricht heute häufig einfach von "Masse" und meint damit "Ruhemasse"; "relativistische Masse" wird an sich kaum noch verwendet. Einstein hat die Begriffe der longitudinalen und der transversalen (relativistischen) Masse diskutiert, um an das Trägheitsgesetz von Newton anzuknüpfen. Grundsätzlich ist das aber alles etwas verwirrend, denn man versucht damit, nicht-relativistische Begriffe in einem relativistischen Kontext zu retten. Z.B. gilt p=mv - wenn man dazusagt, dass m die rel. Masse m(v) ist. Der Trick funktion iert aber eben nur für den rel. Impuls - für keine andere Größe wie z.B. Energie!
Einstein selbst war der Meinung, dass man die Größe m(v) besser nicht als eigenständige Größe = rel. Masse behandelt; es bringt ja nichts, sich für jeden funktionalen Zusammenhang einen neuen Namen auszudenken; und der Begriff der Gesamtenergie E(v) ist völlig ausreichend; m(v) = E(v)/c² braucht letztlich niemand.
Einstein selbst war der Meinung, dass man die Größe m(v) besser nicht als eigenständige Größe = rel. Masse behandelt; es bringt ja nichts, sich für jeden funktionalen Zusammenhang einen neuen Namen auszudenken; und der Begriff der Gesamtenergie E(v) ist völlig ausreichend; m(v) = E(v)/c² braucht letztlich niemand.
ralfkannenberg
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Hallo Tom,
könntest Du diesen Teil Deines Postings bitte noch etwas genauer erläutern, zumindest was die Ruhemasse der betroffenen Teilchen anbelangt.
Freundliche Grüsse, Ralf
Bernhard
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Hallo Ralf,
um detailliert zu erklären, wie das Higgs-Boson zur (Ruhe)masse von Elementarteilchen beiträgt müsste man etwas weiter ausholen und letztlich aufschreiben, was man in den genannten Lehrbüchern nachlesen kann. Kurz gesagt sieht man im Vergleich zur Lagrange-Dichte der freien Teilchen, dass sich der dortige Masseterm im Standardmodell aus Teilen des Higgsfeldes, der Wellenfunktion des betreffenden Teilchens (Quark oder Lepton) und einer für das betreffende Teilchen spezifischen (und zudem unbekannten) Kopplungskonstante zusammensetzt. Bei den Eichbosonen (W und Z) ist der Mechanismus formal deutlich komplizierter.
um detailliert zu erklären, wie das Higgs-Boson zur (Ruhe)masse von Elementarteilchen beiträgt müsste man etwas weiter ausholen und letztlich aufschreiben, was man in den genannten Lehrbüchern nachlesen kann. Kurz gesagt sieht man im Vergleich zur Lagrange-Dichte der freien Teilchen, dass sich der dortige Masseterm im Standardmodell aus Teilen des Higgsfeldes, der Wellenfunktion des betreffenden Teilchens (Quark oder Lepton) und einer für das betreffende Teilchen spezifischen (und zudem unbekannten) Kopplungskonstante zusammensetzt. Bei den Eichbosonen (W und Z) ist der Mechanismus formal deutlich komplizierter.
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ralfkannenberg
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Hallo Bernhard,
ich hatte bis jetzt gemeint, nur das Higgs-Feld (das Higgs-Boson ist ja eine Art Anregung, also "Verdichtung" des Higgs-Feldes) trägt zur Ruhemassen-Bildung der massebehafteten Teilchen bei, nicht aber noch zusätzlich Phänomene der QCD.
Freundliche Grüsse, Ralf
ralfkannenberg
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Hallo zusammen,
ich tue ja ganz gewiss nicht gerne cross-posten, aber eine theoretische Herleitung aus den Messdaten für den supersymmetrischen Partner des Top-Quarks bei einer Masse von <~ 300 GeV, die mit dem LHC erreichbar wäre, erscheint mir doch einen Beitrag hier auf astronews wert:
Are There Hints of Light Stops in Recent Higgs Search Results? (Buckley, Hooper)
Ein deutscher Artikel zu diesem Thema findet sich in der NZZ: NZZ.
Freundliche Grüsse, Ralf
ich tue ja ganz gewiss nicht gerne cross-posten, aber eine theoretische Herleitung aus den Messdaten für den supersymmetrischen Partner des Top-Quarks bei einer Masse von <~ 300 GeV, die mit dem LHC erreichbar wäre, erscheint mir doch einen Beitrag hier auf astronews wert:
Are There Hints of Light Stops in Recent Higgs Search Results? (Buckley, Hooper)
Ein deutscher Artikel zu diesem Thema findet sich in der NZZ: NZZ.
Freundliche Grüsse, Ralf
TomS
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Gerne - soweit ich das kann.
Betrachten wir zunächst mal einen Vergleich mit der Kernphysik; hier haben wir für die Kernmasse sowie die Nukleonenmassen (ich setze der Einfachheit halber die Masse von Proton und Neutron gleich) und den Massendefekt
[tex]m_\text{Kern} = N_\text{Nukleon}m_\text{Nukleon} - \Delta m[/tex]
D.h. die Kernmasse ist um den Betrag der Bindungsenergie / c² kleiner als die Summe der Nukleonenmassen.
Nun betrachten wir die QCD. Bei einer Nukleonenmasse von ca. 1 GeV und up- bzw. down-quark Massen von ca. 3 bzw. 6 MeV (wobei diese sogenannten Stromquarkmassen bei quasi-freien Quarks vorliegen, s.u.) ist eine Näherung verschwindender Quarkmassen gar nicht schlecht. Die Gesamtmase der Nukleonen ändert sich in dieser Näherung (numerisch) wohl nur um wenige Prozent. Das bedeutet aber letztlich i.A. folgendes:
[tex]m_\text{Baryon} \ll \sum_\text{Quarks} m_\text{Quarks}[/tex]
Damit haben wir in der 'Massenformel' keinerlei Bezug mehr zum Massendefekt bzw. zur Bindungsenergie. Quarks sind aufgrund des Color-Confinements extrem stark im Nukleon gebunden, können jedoch nie als einzelne Teilchen isoliert werden; statt dessen würde ein Nukleon in Baryonen und Mesonen "fragmentieren". Erst oberhalb eines Phasenübergangs liegen quasi-freie Quarks in einem Quark-Gluon-Plasma vor (und hier könnte man auch die o.g. geringen Quarkmassen definieren). Grundsätzlich ist also eine Formel wie in der Kernphysik schon mal nicht anwendbar.
Die sogenannten Konstituentenquarks, die ca. ein Drittel der Nukleonmasse tragen sind "künstliche Gebilde"; es sind nicht diese Quarks, die in den Streuexperimenten direkt sichtbar sind. Statt dessen sind sie zunächst mathematische Objekte, die algebraische Eigenschaften wie Flavor (Isospin) und Color tragen und (gedacht) eben aus Quarks mit einer Wolke virtueller Teilchen bestehen. Sie erklären aber die Masse der Baryonen nicht, sondern bedürfen selbst genau dieser Erklärung.
Woher stammt nun die Masse? Das war lange Zeit so nicht klar, da prinzipiell weder direkte Messungen möglich sind, noch genügend genaue Rechnungen möglich waren. Im Rahmen der Gittereichtheorie kommt man aber zu einem einigermaßen klaren Bild: Quarks (das quantisierte Quarkfeld - nicht genau drei Quarks!) sowie Gluonen (das quantisierte Gluonfeld) tragen durch relativistische und quantenfeldtheoretische Effekte zur großen Masse des Nukleons bei. Diese hat praktisch nichts mit der Ruhemasse zu tun sondern entspricht eher soetwas wie der kinetischen Energie - wobei das auch etwas irreführend ist! Insbs. kennt man aus der Gittereichtheorie sogenannte Glueballs, d.h. Teilchen die ausschließlich aus masselosen Gluonen bestehen, also bzgl. Flavor die Quantenzustände des Vakuums tragen, wobei ich nicht weiß, ob diese bereits eindeutig exerimentell identifiziert werden konnten.
Wie nun relativistische, masselsose Teilchen extrem stark gebundene Zustände bilden die dem Color-Confinement unterliegen, ist noch nichtr endgültig verstanden; das ist eines der (mathematischen!) Milleniums-Probleme des Clay Institutes.
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ralfkannenberg
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Hallo Tom,
danke schön für Deine Mühe; ich habe es mir mal ausgedruckt und werde es mir unterwegs anschauen.
Freundliche Grüsse, Ralf
danke schön für Deine Mühe; ich habe es mir mal ausgedruckt und werde es mir unterwegs anschauen.
Freundliche Grüsse, Ralf
TomS
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Interessanter Beitrag: hier wird vermutet, dass die existierenden Daten besser durch eine zusätzliche Kopplung des Higgs an einen supersymmetrischen Partner des Top-Quarks (s-Top) erklärt werden können - also möglicherweise ein Hinweis auf Supersymmetrie. Zum aktuellen Zeiotpunkt sollte man jedoch sicher extrem vorsichtig mit derartigen Spekulationen sein.
http://arxiv.org/abs/1207.1445
Are There Hints of Light Stops in Recent Higgs Search Results? Authors: Matthew R. Buckley, Dan Hooper
(Submitted on 5 Jul 2012)
http://arxiv.org/abs/1207.1445
Are There Hints of Light Stops in Recent Higgs Search Results? Authors: Matthew R. Buckley, Dan Hooper
(Submitted on 5 Jul 2012)
Abstract: The recent discovery at the LHC by the CMS and ATLAS collaborations of the Higgs boson presents, at long last, direct probes of the mechanism for electroweak symmetry breaking. While it is clear from the observations that the new particle plays some role in this process, it is not yet apparent whether the couplings and widths of the observed particle match those predicted by the Standard Model. In this paper, we perform a global fit of the Higgs results from the LHC and Tevatron. While these results could be subject to as-yet-unknown systematics, we find that the data are significantly better fit by a Higgs with a suppressed width to gluon-gluon and an enhanced width to gamma gamma, relative to the predictions of the Standard Model. After considering a variety of new physics scenarios which could potenially modify these widths, we find that the most promising possibility is the addition of a new colored, charged particle, with a large coupling to the Higgs. Of particular interest is a light, and highly mixed, stop, which we show can provide the required alterations to the combination of gg and gamma gamma widths.
ralfkannenberg
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ins#1
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Interessant. Ich meine gelesen zu haben dass die Hadronen ohne Higgsmechanismus immer noch auf 95% ihrer Ruhemasse kämen. Selbst wenn das so stimmt müsste man ohne Higgsfeld/-Mechanismus, also bei masselosen Quarks und Leptonen, davon ausgehen dass sich praktisch niemals Atomkerne zusammengefunden hätten, oder zumindest das Universum heute extrem anders aussehen würde.
In einer aktuellen Formelsammlung hab' ich folgendes stehen: Proton- und Neutronmasse (identisch) 1,67495 ×10[SUP]−27[/SUP] kg während die Ruheenergie für das Proton = 938,28 MeV und das Neutron 939,57 MeV betragen (Anm.: die Werte stimmen nicht exakt mit den angaben in Wikipedia überein). War da nicht was mit Äquivalenz? Außerdem meine ich mich zu Erinnern dass sich bei der QCD die Hadronen auch durch den Austausch der relativ langlebigen Pionen zusammenhalten, als Beispiel (neutrales) Pi-Meson (139,57018±0,00035) MeV. Könnte man da jetzt naiv hergehen und die Masse der Pionen, die ja ihrerseits aus Quark/Antiquarkpaaren aufgebaut sind, bzw. deren Ruhemasse zu den Ruhemassen der Konstituentenquarks addieren und käme so irgendwann auf das knappe GeV, was man braucht? Ich denke irgendwie nicht. Diese entstehen doch erst durch das Gummiband-Verhalten der Gluonen und tragen ihrerseits mit einem relativistischen Massenbetrag bei, nicht? Außerdem müsste man korrekterweise von virtuellen Teilchen sprechen (Mesonen), eben genau wie bei den virtuellen Higgsbosonen im Higgsfeld. Wann gilt eigentlich was als nicht virtuell? Wenn _ich_ es beobachte, anstelle... ach lassen wir das. Das ist eine andere Baustelle.
In einer aktuellen Formelsammlung hab' ich folgendes stehen: Proton- und Neutronmasse (identisch) 1,67495 ×10[SUP]−27[/SUP] kg während die Ruheenergie für das Proton = 938,28 MeV und das Neutron 939,57 MeV betragen (Anm.: die Werte stimmen nicht exakt mit den angaben in Wikipedia überein). War da nicht was mit Äquivalenz? Außerdem meine ich mich zu Erinnern dass sich bei der QCD die Hadronen auch durch den Austausch der relativ langlebigen Pionen zusammenhalten, als Beispiel (neutrales) Pi-Meson (139,57018±0,00035) MeV. Könnte man da jetzt naiv hergehen und die Masse der Pionen, die ja ihrerseits aus Quark/Antiquarkpaaren aufgebaut sind, bzw. deren Ruhemasse zu den Ruhemassen der Konstituentenquarks addieren und käme so irgendwann auf das knappe GeV, was man braucht? Ich denke irgendwie nicht. Diese entstehen doch erst durch das Gummiband-Verhalten der Gluonen und tragen ihrerseits mit einem relativistischen Massenbetrag bei, nicht? Außerdem müsste man korrekterweise von virtuellen Teilchen sprechen (Mesonen), eben genau wie bei den virtuellen Higgsbosonen im Higgsfeld. Wann gilt eigentlich was als nicht virtuell? Wenn _ich_ es beobachte, anstelle... ach lassen wir das. Das ist eine andere Baustelle.
TomS
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Es gäbe Atomkerne, denn diese sind durch die starke Kraft unabhängig von der elektro-schwachen Kraft gebunden. Allerdings würden schwache Prozesse und Zerfälle deutlich schneller ablaufen, da die W- und Z-Bosonen masselos sind und demnach auch die sogenannte schwache Kraft eine große Reichweite (wie die el.-mag. WW) hätte.
Bei Vernachlässigung der el.-mag. WW sowie bei exakt gleich schweren up- und down-Quarks (oder eben bei masselosen Quarks) wäre die Isospinsymmetrie exakt und Proton und Neutron exakt gleich schwer. Außerdem wären die Pionen bei bei masselosen Quarks ebenfalls exakt masselos.
Die Hadronen sind durch die Gluonen gebunden, die Kerne kann man sich dagegen effektiv durch die Pionen gebunden denken, aber dieser Ansatz der starken WW ist nur eine Näherung.
Ganz sicher nicht, weil die Pionen eine Ausnahme darstellen. Bei masselosen Quarks hat die QCD eine zusätzliche globale Symmetrie, die sogenannte chirale Symmetrie. Diese ist jedoch spontan gebrochen, so wie ein Magnet theoretisch eine Rotationssymmetrie aufweist, die spontan gebrochen ist durch die Auszeichnung einer Magnetfeldrichtung. Gemäß des sogenannten Goldstone-Theorems gehören zu jeder spontan gebrochenen globalen Symmerie (nicht: Eichsymmetrie!) masselose Bosonen; und im Falle der QCD sind dies die Pionen. Deswegen sind diese trotz der starken Bindung auch vergleichsweise leicht verglichen mit allen anderen Hadronen. Die naive Annahme, sie hätten ca. 2/3 der Protonmasse ist ja offensichtlich falsch.
Zuletzt bearbeitet:
ins#1
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Ich meinte davon ausgehend dass es niemals zum Higgsmechanismus gekommen wäre und alle Teilchen von Anfang an mit Lichtgeschwindigkeit umherflögen. Und wenn ich damit immer noch falsch liege dann verhindert letztlich die schneller ablaufende schwache Kernkraft (meiner derzeitigen Meinung nach) die Nukleosynthese schwererer Elemente, als die der bis dahin vorhandenen, in den ersten drei Minuten (primordial), entstandenen. Die Gravitation hätte, wie im Standardmodel, nichts zu melden (ausser der Festlegung der Raumgeometrie). Oder wäre es doch ganz anders, und alles würde unmittelbar nach dem Urknall wie in einem Teilchenbeschleuniger mit c kollidieren und dabei so viel Energie freisetzen, dass alles nahezu instantan durch die dominante starke Kernkraft hadronisiert und einen riesigen Materieklumpen bildet, der sofort wieder kollabiert, ...
Okay. Da hätte ich einen Absatz machen sollen. Der Teil galt unserem Universum (mit Higgs). Edit (hinzugefügt): Klar, auch die Pionmasse ist um ein vielfaches höher als die Summe der Konstituenten.
Ahja, so war das mit den Pionen. Die kommen bei den Atomkernen mit mehr als einem Hadron ins Spiel. Genau, danke. Weiter so.
Gruß
ins#1 (auch aus Nürnberg)
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TomS
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Nehmen wir an, Quarks haben Ruhemasse Null, und nehmen wir weiter an, die schw. Kraft ist wg. der masselosen W- und Z-Bosonen vergleichsweise stark. Aufgrund der Expansion nimmt die Quarkdichte sehr stark ab und die Energiedichte fällt unter die typische Energieskala der QCD. Damit muss aber Confinement einsetzen, denn freie Quarks sind auch bei verschwindender Ruhemasse bei niedrigen Energiedichten verboten. Damit findet zwangsläufig eine vollständige Hadronisierung statt. Masselose Teilchen wie Pionen können gerade wegen der verschwindenden Ruhemasse nicht in andere (masselose) Teilchen zerfallen. Damit sind die Pionen stabil. Bei exakter Massengleichheit von Protonen und Neutronen können auch diese nicht zerfallen bzw. sich ineinander umwandeln, unabhängig von der Stärke der schwachen Kraft. D.h. Pionen sowie die Nukleonen (die leichtesten Baryonen) müssen stabil sein. Allerdings dürften Pionen gegenüber den Nukleonen deutlich überwiegen. Nukleonen wären aber nicht masselos und können m.E. wieder (leichte) Atomkerne bilden. Damit haben wir ein Gas aus freien Pionen, Nukleonen sowie Leptonen.
Aufgrund der Masselosigkeit der Elektronen würden sich nun aber keine neutralen Atome bilden, denn im Gegensatz zur QCD zwingt die QED die Elektronen nicht in gebundene Zustände.
TomS
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Ich fürchte, es ist viel komplizierter, als ich zunächst dachte!
Die el.-schw. SU(2) ist ohne Higgs eine ungebrochenen, nicht-abelsche Eichtheorie wie die QCD. Für genügend viele Fermionen wäre sie non-confining, d.h. man sähe eine langreichweitige nicht-abelsche Eichtheorie, etwas was man so nicht kennt. Ich weiß aber nicht, wie chirale Fermionen gezählt werden. Im Falle weniger Fermionen wäre sie confining und würde ebenfalls zu gebundenen Zuständen wie den Hadronen führen. Besser gesagt, Hadronen wären Singuletts sowohl bzgl. der SU(3) als auch der SU(2). Allerdings ist diese SU(2) chiral und maximal paritätsverletzend, d.h. man würde wohl auch chirale gebundene Zustände erwarten. Mesonen wären alle masselos - außer einem, das durch eine Anomalie weiterhin eine Masse hat und weiterhin instabil ist, also im Universum nicht mehr existent wäre.
Keine Ahnung, wie das genau aussähe, allerdings wohl deutlich anders als von mir oben angedeutet und kaum mit den uns bekannten Teilchen und Kräften vergleichbar.!"
Die el.-schw. SU(2) ist ohne Higgs eine ungebrochenen, nicht-abelsche Eichtheorie wie die QCD. Für genügend viele Fermionen wäre sie non-confining, d.h. man sähe eine langreichweitige nicht-abelsche Eichtheorie, etwas was man so nicht kennt. Ich weiß aber nicht, wie chirale Fermionen gezählt werden. Im Falle weniger Fermionen wäre sie confining und würde ebenfalls zu gebundenen Zuständen wie den Hadronen führen. Besser gesagt, Hadronen wären Singuletts sowohl bzgl. der SU(3) als auch der SU(2). Allerdings ist diese SU(2) chiral und maximal paritätsverletzend, d.h. man würde wohl auch chirale gebundene Zustände erwarten. Mesonen wären alle masselos - außer einem, das durch eine Anomalie weiterhin eine Masse hat und weiterhin instabil ist, also im Universum nicht mehr existent wäre.
Keine Ahnung, wie das genau aussähe, allerdings wohl deutlich anders als von mir oben angedeutet und kaum mit den uns bekannten Teilchen und Kräften vergleichbar.!"