Teilchenphysik: Standardmodell auf über zwölf Nachkommastellen genau bestätigt

[kwrk]

@TomS -
Nennen wir es einfach „Berechnung g-Faktor / Lamb shift“. Mein Punkt ist, dass es eine derartige Genauigkeit in Bereich elektroschwach / QCD nicht zu geben scheint (Hadronenmassen aus LQCD z.B. ~1% genau). Damit ist das für das SM als ganzes nicht repräsentativ.
Wobei auch die angegebenen g-Faktor / Lamb shift Genauigkeiten wie immer zu hinterfragen sind, hier mal was aktuelles vom muon-g:
https://arxiv.org/abs/2603.03835
Sehr schön z.B. Fig.1: die Rechnungen decken den Bereich 180 - 230 komplett ab. Der experimentelle Bereich könnte liegen wo er wollte, man könnte sich immer eine Rechnung herauspicken, die man als einen genauen Test der QED / des SM verkaufen könnte.
Keine sauber definierte Vorgehensweise ...

 

[TomS]

@TomS -
Nennen wir es einfach „Berechnung g-Faktor / Lamb shift“. Mein Punkt ist, dass es eine derartige Genauigkeit in Bereich elektroschwach / QCD nicht zu geben scheint (Hadronenmassen aus LQCD z.B. ~1% genau). Damit ist das für das SM als ganzes nicht repräsentativ.

Nochmal: diese "Berechnung g-Faktor" funktioniert nur deswegen so genau und in Übereinstimmung mit dem Experiment, weil die QCD berücksichtigt wird.

Euclidean time windows in the integral representation of the hadronic vacuum polarization contribution to the muon g−2 serve to test the consistency of lattice calculations and may help in tracing the origins of a potential tension between lattice and data-driven evaluations … we correct our results for isospin-breaking effects via the perturbative expansion of QCD+QED around the isosymmetric theory. Our result at the physical point is a =(237.30 ±0.79stat ± 1.22syst)×10−10, where the systematic error includes an estimate of the uncertainty due to the quenched charm quark in our calculation.

We present new lattice results of the ETM Collaboration, obtained from extensive simulations of lattice QCD with dynamical up, down, strange and charm quarks at physical mass values, different volumes and lattice spacings, concerning the SM prediction for the so-called intermediate window (W) and short-distance (SD) contributions to the leading order hadronic vacuum polarization (LO-HVP) term of the muon anomalous magnetic moment

Sehr schön z.B. Fig.1: die Rechnungen decken den Bereich 180 - 230 komplett ab. Der experimentelle Bereich könnte liegen wo er wollte, man könnte sich immer eine Rechnung herauspicken, die man als einen genauen Test der QED / des SM verkaufen könnte.
Keine sauber definierte Vorgehensweise ...

Das kann ich bzgl. Lattice-QCD nicht beurteilen. In der Zwischenzeit werden Berechnungen teilweise ähnlich wie in Blindstudien durchgeführt, da wird nicht unterwegs mal eben schnell an den Algorithmen geschraubt. Zumindest für die Auswertungen der Experimente zu g-2 ist das gängige Praxis.


Aber du hast natürlich völlig recht, in anderen Anwendungsfällen der QCD erzielt man derartige geringe Unsicherheiten nicht. Das gilt aber in gleicher Weise für die QED; oder wo sind z.B. die entsprechenden Berechnungen von Sprungtemperaturen in Supraleitern?

 

[kwrk]

Das kann ich bzgl. Lattice-QCD nicht beurteilen. In der Zwischenzeit werden Berechnungen teilweise ähnlich wie in Blindstudien durchgeführt, da wird nicht unterwegs mal eben schnell an den Algorithmen geschraubt. Zumindest für die Auswertungen der Experimente zu g-2 ist das gängige Praxis.

Ja, die legen großen Wert auf ihre Verblindung. Das löst das Problem aber nur oberflächlich. Wenn die 24‘ Studie von BMW nicht "besser" (= näher am Experiment) gewesen wäre als die von 20‘, wäre sie vermutlich in der Schublade geblieben. Man hätte überlegt, woran man schrauben kann und die nächste, verblindete Studie gestartet.
Man hat als Laie keine Chance, die Details der Studie nachzuvollziehen, aber wenn man davon ausgeht, dass die 24‘er LQCD-Studien von BMW, Mainz, RBC repräsentativ für einen Parameterraum sind, den Experten der QCD für sinnvoll erachten, dann ist eine realistische Genauigkeit eben eine GO oberhalb der neuen BMW-Studie.
Interessanterweise kommt man mit CMD-3 (auch 2024) jetzt anscheinend auch mit dem „alten“ Ansatz in den gewünschten Bereich.

Ist jetzt natürlich nicht exakt das Thema der obigen Studie, aber die Verfahrensweisen dürften ähnlich sein.

 

[albertus]

@albertus – danke für den Beitrag und die Gegenüberstellung der Positionen (wobei selbst schon beide einnehmen kann).

Ich sehe mehrere grundsätzliche Probleme:

• erstens gehen uns langsam die experimentellen Möglichkeiten aus
• zweitens sind neue Ideen häufig zu offen, der Lösungsraum zu groß, wir reden nicht mehr von neuen Theorien sondern von ganzen Klassen von Theorien …
• man hat jahrzehntelang für jedes Problem einen Kredit bei den Teilchenphysikern aufgenommen (SUSY, SUGRA, Strings, Axionen, Inflaton …) und stellt nun fest, dass es sich um ungedeckte Leerverkäufe handelt

Der Punkt ist, dass wir in bestimmten Mustern und Kategorien denken, und dass eine zutreffende Lösung möglicherweise innerhalb dieser Kategorien unmöglich zu finden ist. Der letzte, der uns eine wirklich neue Sichtweise eröffnet hat, war Heisenberg.

Andererseits haben wir die uns von ihm eröffnete Quantenwelt wohl nur zu einem Bruchteil verstanden. Angesichts dessen wirkt das Erfinden von immer neuen Teilchen, Feldern und Wechselwirkungen schon fast plump.

Hallo Tom, danke für die Blumen! Dass wir das heute am Einstein-Tag diskutieren, passt ja wie die Faust aufs Auge.

Deine Ergänzung trifft es genau: Wenn konkrete Ansätze seit Jahrzehnten bei jedem Präzisionstest ‚zu nichts zerfallen‘, dann ist das für mich als Elektroniker das Signal, dass wir nicht nur ein Messproblem haben, sondern dass die zugrunde liegende Architektur der vorgeschlagenen ‚neuen Physik‘ (SUSY & Co.) schlicht nicht zur Hardware der Natur passt. Man kann nicht ewig Kredite auf Theorien aufnehmen, die im Labor ständig bankrottgehen.

@ralf: Wenn du sagst, das Standardmodell (SM) sei ‚ohne Wenn und Aber widerlegt‘, dann ist das so, als würdest du ein Betriebssystem für ‚widerlegt‘ erklären, weil es keine Kaffee kochen kann. Das SM ist für die Beschreibung der bekannten Teilchen bis auf 12 Nachkommastellen exakt – das ist kein Widerlegen, das ist ein triumphales Bestehen des Datenblatts.

Astrophysikalische Rätsel wie Dunkle Materie zeigen uns, dass es noch andere ‚Module‘ im Universum gibt, aber sie machen die präzisen Ergebnisse des SM in seinem Bereich nicht falsch. Ich schlage vor, wir trennen sauber zwischen ‚unvollständig im Gesamtbild‘ und ‚widerlegt im Detail‘. Letzteres ist beim SM nämlich absolut nicht der Fall.

 

[TomS]

Ich würde nicht sagen, das Standardmodell sei widerlegt, ich halte es für unvollständig.

Dabei muss man "unvollständig" jedoch konkretisieren:

• ist es unvollständig in seiner Kerndomäne, d.h. bedarf es neuer oder erweiterter Mechanismen bzgl. der Neutrino-Masse, ggf. neuer Teilchen, der UV-Vollständigkeit? … oder hat man einiges nur noch nicht verstanden, zum Beispiel eine möglichen UV-Vollständigkeit zusammen mit der ersten Asymptotic Safe Gravity
• ist es theoretisch unvollständig dahingehend, dass man diverse Zusammenhänge nicht versteht (Symmetrien, Multipletts, Fermion-Generationen, strong CP Problem, insbs. Anomaly Matching, um nicht immer nur Trivialitäten zu wiederholen) bzw. warum genau dieses eine Modell aus einer potentiell unendlichen Vielzahl von Modellen, die Realität beschreibt
• ist es unvollständig bezüglich dessen, was sich andere von ihm bzw. der Teilchenphysik allgemein erhoffen, d.h. insbs. das Inflaton und Dunkle Materie …

Ich denke, den ersten Punkt kann man "reparieren", was aber letztlich den zweiten Punkt noch mehr stresst. Den dritten Punkt würde ich zunächst mal ignorieren, solange die Astrophysiker noch mit den Daten rumeiern … Lambda = 0, Lambda > 0, verschiedene Lambda-Werte je nach Messung, evtl. doch Null jedoch andere Effekte da Inhomogenitäten und Anisotropien auf großen Skalen … also was jetzt?

 

[albertus]

Ich würde nicht sagen, das Standardmodell sei widerlegt, ich halte es für unvollständig.

Dabei muss man "unvollständig" jedoch konkretisieren:

• ist es unvollständig in seiner Kerndomäne, d.h. bedarf es neuer oder erweiterter Mechanismen bzgl. der Neutrino-Masse, ggf. neuer Teilchen, der UV-Vollständigkeit? … oder hat man einiges nur noch nicht verstanden, zum Beispiel eine möglichen UV-Vollständigkeit zusammen mit der ersten Asymptotic Safe Gravity
• ist es theoretisch unvollständig dahingehend, dass man diverse Zusammenhänge nicht versteht (Symmetrien, Multipletts, Fermion-Generationen, strong CP Problem, insbs. Anomaly Matching, um nicht immer nur Trivialitäten zu wiederholen) bzw. warum genau dieses eine Modell aus einer potentiell unendlichen Vielzahl von Modellen, die Realität beschreibt
• ist es unvollständig bezüglich dessen, was sich andere von ihm bzw. der Teilchenphysik allgemein erhoffen, d.h. insbs. das Inflaton und Dunkle Materie …

Ich denke, den ersten Punkt kann man "reparieren", was aber letztlich den zweiten Punkt noch mehr stresst. Den dritten Punkt würde ich zunächst mal ignorieren, solange die Astrophysiker noch mit den Daten rumeiern … Lambda = 0, Lambda > 0, verschiedene Lambda-Werte je nach Messung, evtl. doch Null jedoch andere Effekte da Inhomogenitäten und Anisotropien auf großen Skalen … also was jetzt?

Danke Tom! Deine Differenzierung ist extrem hilfreich für die methodische Sauberkeit hier im Thread.

Für mich als Praktiker liest sich das so:

• Punkt 1 sind notwendige Updates, um die Spezifikation aktuell zu halten.
• Punkt 2 ist die Frage nach der Systemarchitektur. Nur weil ich nicht weiß, warum der Entwickler sich für genau diese Prozessor-Architektur entschieden hat, heißt das ja nicht, dass die CPU nicht perfekt rechnet.
• Punkt 3 ist das, was Ralf so umtreibt. Aber wie du sagst: Solange das ‚Betriebssystem‘ der Astrophysik (die Datenlage zu Λ, Inhomogenitäten etc.) noch im Beta-Status ist und widersprüchliche Logs liefert, ist es methodisch gewagt, die Hardware-Ebene (das SM) als ‚widerlegt‘ zu bezeichnen.

Ralf, das ist genau der Punkt: Wenn die Fehlermeldung (Dunkle Materie) von einer Peripherie kommt, die wir noch gar nicht richtig kalibriert haben, sollten wir nicht voreilig den Kernprozessor (das SM) für schrottreif erklären. Vor allem dann nicht, wenn er im Labor weiterhin auf 12 Stellen genau liefert.

 

[kwrk]

@ralf: Wenn du sagst, das Standardmodell (SM) sei ‚ohne Wenn und Aber widerlegt‘, dann ist das so, als würdest du ein Betriebssystem für ‚widerlegt‘ erklären, weil es keine Kaffee kochen kann. Das SM ist für die Beschreibung der bekannten Teilchen bis auf 12 Nachkommastellen exakt – das ist kein Widerlegen, das ist ein triumphales Bestehen des Datenblatts.

Das SM ist ein Sammelsurium von Methoden, bei denen teilweise nicht einmal die zugrundeliegende Mathematik richtig verstanden ist. Z.B: GUT - gibt’s nicht. Das an irgendeiner Stelle eine hohe Genauigkeit erreicht wird, ist für das disparate Gesamtsystem irrelevant.
Die elektroschwache Theorie ist durch Neutrinomasse als exakte Theorie beerdigt - was wiederum keine Konsequenzen für QED hat.

 

[albertus]

Interessanter Einwurf, kwrk! Deine Beschreibung des SM als 'Sammelsurium' erinnert mich stark an Legacy-Code in großen Industriesystemen.

Manchmal versteht niemand mehr die ursprüngliche mathematische Herleitung jeder einzelnen Zeile (oder Feldgleichung), und das System wirkt wie ein Patchwork aus verschiedenen Modulen (QED, QCD etc.). Aber in der IT gilt: Wenn dieser Legacy-Code seit Jahrzehnten die präzisesten Ergebnisse liefert, die wir je gemessen haben, dann ist er funktional korrekt, auch wenn er ästhetisch oder theoretisch eine Katastrophe sein mag.

@ralf: Genau hier liegt der Punkt. kwrk sagt, die elektroschwache Theorie sei 'beerdigt', weil die Neutrinos Masse haben. Aber wie wir in der Softwareentwicklung sagen: Das ist ein Patch, den man eingespielt hat (erweitertes SM). Das ändert nichts daran, dass der Kern des Programms für die restlichen Teilchen weiterhin die 12 Nachkommastellen liefert.

Wenn eine Theorie 'beerdigt' wäre, würde sie falsche Vorhersagen machen. Aber das SM macht gar keine falschen Vorhersagen – es liefert nur keine Antworten auf Fragen, für die es nie geschrieben wurde (wie die GUT oder Dunkle Materie).

 

[TomS]

Das SM ist ein Sammelsurium von Methoden, bei denen teilweise nicht einmal die zugrundeliegende Mathematik richtig verstanden ist.

Streng genommen hast du recht; wir kennen keine axiomatische und zugleich widerspruchsfreie Formulierung – siehe Millennium-Problem.

Allerdings ist die axiomatische Formulierung inzwischen sehr gut vorangekommen, die Renormierung wird unabhängig von der perturbativen Regularisierung vernünftig erklärt … das Alles ist nur deutlich mühsamer wie das ganze Stringtheorie-Blabla – und nicht so öffentlichkeitswirksam.

Z.B: GUT - gibt’s nicht.

Was hat das damit zu tun?

Die elektroschwache Theorie ist durch Neutrinomasse als exakte Theorie beerdigt …

Nein, d.h. nur, dass man Neutrinos eben Masse verleihen muss, also mein erster Punkt.

Neutrinomassen kann man problemlos mittels rechtshändiger steriler Neutrinos sowie winzigen (chiralen) Yukawa-Kopplungen der linkshändigen Neutrinos an das Higgsfeld einführen. Das ist nicht schön, aber auch nicht hässlicher als das, was wir ohnehin schon haben.

Das Problem liegt bei meinem Punkt zwei.

 

[kwrk]

Was hat das damit zu tun?


Das Problem liegt bei meinem Punkt zwei.

Ich finde schon, dass die - nicht existierende - Vereinheitlichung von SU(2) und SU(3) passt zu: "...diverse Zusammenhänge nicht versteht (Symmetrien, Multipletts, Fermion-Generationen...".

 

[ralfkannenberg]

@ralf: Wenn du sagst, das Standardmodell (SM) sei ‚ohne Wenn und Aber widerlegt‘, dann ist das so, als würdest du ein Betriebssystem für ‚widerlegt‘ erklären, weil es keine Kaffee kochen kann. Das SM ist für die Beschreibung der bekannten Teilchen bis auf 12 Nachkommastellen exakt – das ist kein Widerlegen, das ist ein triumphales Bestehen des Datenblatts.

Hallo Astrofreund,

hier hast Du natürlich recht. Ich denke, inhaltlich sind wir weitgehend alle der gleichen Meinung, aber wir formulieren es unterschiedlich, es ist also primär ein sprachliches Problem - erst Tom und kwrk haben seit einigen Beiträgen auch physikalisch-relevante Einwände formuliert.

Zum "sprachlichen" Problem: was wollen wir unter "widerlegt" verstehen, was unter "unvollständig" etc. ? Ich fühle mich nicht berufen, eine solche Frage zu beantworten. Wenn wir das Standardmodell auf die "sichtbare Welt" beschränken funktioniert es sehr gut, wenn wir das Standardmodell auch auf eine neue Physik erweitern wollen, so funktioniert das seit Jahrzehnten überhaupt nicht.

Die Neutrino-Oszillationen sind ein experimenteller Fakt; daraus folgt, dass die Neutrinos eine Masse haben müssen und mit geeigneten sterilen Neutrinos kriegt man das auch hin, allerdings einmal mehr entziehen sich diese sterilen Neutrinos (ebenso wie die Axionen, Wimps etc.) bislang dem experimentellen Nachweis.

An sich haben wir alle den Thread weggekapert, denn es ging nicht um die Bewunderung, dass das SM bis auf 12 Nachkommastellen bestätigt werden konnte, sondern die Idee der zugrundeliegenden Arbeit war die Hoffnung, unter der Annahme - das ist also keineswegs das Resultat, sondern die Annahme ! - der Richtigkeit des SM kleine Abweichungen dazu zu suchen, welche den Forschenden Hinweise auf eine neue Physik geben könnten. Und diese Hinweise hat man eben nicht gefunden, statt dessen wurde die Annahme jetzt experimentell noch besser untermauert.


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[kwrk]

funktional korrekt,

Unser physikalisches Weltbild ist "funktional korrekt" (weitestgehend), wir wollen die Bloatware loswerden. Wie viele Assemblerbefehle x und wie viele y Kilobyte Speicherplatz brauche ich minimal um ein funktionierendes Betriebssystem zu bekommen, dass Windows 11 ersetzt? Ziel wären einstellige x und y

 

[ralfkannenberg]

Wenn eine Theorie 'beerdigt' wäre, würde sie falsche Vorhersagen machen. Aber das SM macht gar keine falschen Vorhersagen – es liefert nur keine Antworten auf Fragen, für die es nie geschrieben wurde (wie die GUT oder Dunkle Materie).

Hallo Astrofreund,

ich denke, das ist unzutreffend: betreffend der Neutrino-Oszillationen macht das SM falsche Vorhersagen. Somit ist die Wortwahl, die elektroschwache Theorie (genauer: die Theorie der elektroschwachen Kraft) sei beerdigt, sicherlich hart, aber eben nicht ganz falsch.

Ob man das mit einem "Patch" korrigieren kann wissen wir zum heutigen Tag nicht.


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[ralfkannenberg]

Windows 11

Wenn ich meine Meinung zu diesem [ZENSUR] hier hinschreibe werde ich dauerhaft gesperrt

 

[TomS]

Ich finde schon, dass die - nicht existierende - Vereinheitlichung von SU(2) und SU(3) passt zu: "...diverse Zusammenhänge nicht versteht (Symmetrien, Multipletts, Fermion-Generationen...".

So meinst du das. Ja, Zustimmung

 

[TomS]

… betreffend der Neutrino-Oszillationen macht das SM falsche Vorhersagen

Ich bin da weniger dogmatisch. Für mich macht das SM ohne Neutrinomassen falsche Vorhersagen, mit Neutrinomassen richtige.

 

[albertus]

Unser physikalisches Weltbild ist "funktional korrekt" (weitestgehend), wir wollen die Bloatware loswerden. Wie viele Assemblerbefehle x und wie viele y Kilobyte Speicherplatz brauche ich minimal um ein funktionierendes Betriebssystem zu bekommen, dass Windows 11 ersetzt? Ziel wären einstellige x und y

Guter Punkt, kwrk! Aber wer ein Betriebssystem mit einstelligen Assemblerbefehlen sucht, landet am Ende bei einer No-Op-Schleife: Das ist zwar elegant und minimalistisch, tut aber im echten Leben nichts.

Das Standardmodell ist vielleicht kein schickes Windows 11, aber es ist das Linux des Universums. Ja, es hat viele Module und wirkt durch die verschiedenen 'Patches' (wie die Neutrinomasse) manchmal wie ein Patchwork, aber es ist die einzige Distribution, die stabil auf jeder Hardware läuft – vom Wasserstoffatom bis zum Quasaren.

Wenn wir die 'Bloatware' (die 19 freien Parameter) loswerden wollen, brauchen wir einen fundamental besseren Kernel, nicht nur den Wunsch nach weniger Zeilen Code. Bis dieser 'Quantengravitations-Kernel' stabil kompiliert und im Labor besteht, bleibe ich bei der stabilen Distro, die wir haben. Sie liefert immerhin seit 50 Jahren die richtigen Ergebnisse, ohne beim Booten (dem Urknall) abzustürzen!

In diesem Sinne: Ein schönes und fehlerfreies Wochenende in die Runde!

 

[albertus]

Ralf, es freut mich, dass wir uns beim ‚sprachlichen Problem‘ und der Funktionalität des SM für die sichtbare Welt angenähert haben. Das ist doch ein konstruktives Ergebnis für einen Samstag!

Zu den Neutrinos: Ich sehe es genau wie Tom. Ein System, das man durch die Ergänzung eines Parameters (der Masse) wieder in Übereinstimmung mit den Fakten bringt, ist für mich nicht ‚beerdigt‘, sondern geupdatet.

In der Softwareentwicklung ist das Alltag: Ein Programm macht so lange ‚falsche‘ Vorhersagen (Fehlermeldungen), bis man die Konfigurationsdatei um den fehlenden Wert ergänzt. Danach läuft es wieder perfekt. Ein ‚beerdigtes‘ System wäre eines, das strukturell so falsch ist, dass kein Patch der Welt es retten könnte.

Dass die Suche nach Abweichungen (die eigentliche Idee der Arbeit) die Annahme des SM nur noch besser untermauert hat, statt sie zu Fall zu bringen, ist doch das spannendste Ergebnis überhaupt. Es zeigt, wie verdammt gut dieser ‚Kernel‘ programmiert ist.

Damit verabschiede ich mich jetzt aber wirklich ins Wochenende – der Compiler wartet nicht! Viel Spaß noch beim weiteren Kapern des Threads.

 

[ralfkannenberg]

Ich bin da weniger dogmatisch. Für mich macht das SM ohne Neutrinomassen falsche Vorhersagen, mit Neutrinomassen richtige.

Hallo Tom, hallo kwrk,

ich habe hierzu eine physikalische Frage: die Neutrino-Oszillationen werden u.a. durch die Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata-Matrix (PMNS-Matrix) beschrieben.

Für die Quarks gibt es hierzu ein Analogon, die Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix (CKM-Matrix), die im Rahmen des Standardmodells der Teilchenphysik repräsentiert, in welchen statistischen Anteilen sich Quarks dreier Flavour-Generationen (jeweils u-Typ-Quarks mit Ladung 2⁄3 e; beziehungsweise d-Typ-Quarks mit Ladung −1⁄3 e) durch Wechselwirkung mit einem (geladenen) W-Bodon in andere Quarks der entsprechenden Ladung umwandeln können.

Bemerkung: hier abgeschrieben

Solche "Umwandlungen" bzw. Mischungs-Matrizen sind also im Standardmodell durchaus vorhanden. Warum spricht man im Rahmen von Neutrino-Oszillationen von einer >erweiterung des Standardmodells und im Rahmen der Flavour-Generationen der Quarks nicht ? Und gibt es so etwas für Elektronen, Myonen und Tauonen auch ?


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[ralfkannenberg]

Sie liefert immerhin seit 50 Jahren die richtigen Ergebnisse, ohne beim Booten (dem Urknall) abzustürzen!

Hallo Astrofreund,

das SM macht aber erst ab der Quark-Ära, also ca. 10^(-23) Sekunden nach dem Urknall bzw. einer Temperatur von weniger als 10^22 K (10^9 GeV) Vorhersagen. Zu diesem Zeitpunkt sind die Planck-Ära und die GUT-Ära (mit der Inflation) bereits "lange" vorbei.

Wir sind hier also schon weit weg von der Urknall-Singularität.


Freundliche Grüsse, Ralf