Teilchenphysik: Theorien jenseits des Standardmodells gesucht

[astronews.com Redaktion]

Woraus bestehen Dunkle Materie und Dunkle Energie? Warum gibt es so viel Materie, aber so wenig Antimaterie im Universum? Und warum haben die Neutrinos eine so winzig kleine Masse? Um diese fundamentalen Fragen zu beantworten, sollen in Bonn künftig neue Modelle jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik und neue computergestützte Rechenmethoden entwickelt werden. (21. April 2023)

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[Klaus]

Da fällt mir eine Frage ein, die vor langer Zeit mal aufkam. In Teilchenbeschleunigern müssen auch die Gezeitenkräfte bei der Strahlführung mit berücksichtigt werden. Die Frage, die sich mir damals stellte war, ob die vertikalen Felder zur Regulierung der Strahllage bei wachsender Teilchenenergie angepaßt ( d.h. verringert) werden müssen.
Meine Annahme diesbezüglich wäre ja, das die Gravitation exakt im selben Maß wie die elektrischen Feldkräfte der Haltefelder für die Teilchen speziell-relativistisch zunimmt und daher keine zusätzliche vertikale Strahllagekorrektur in Abhängigkeit von der Energie des Teilchenpaketes stattfinden muß. Kennt jemand von Euch sich damit aus oder kann das unkompliziert in Erfahrung bringen?

 

[ralfkannenberg]

Das Modell sagt voraus, dass die Massen der Neutrinos nicht direkt nach dem Urknall entstehen – so wie die Massen der anderen Elementarteilchen – sondern erst sehr spät in der Geschichte des Universums.

Hallo zusammen,

ich habe ja durchaus Verständnis dafür, dass man neue Wege sucht, um den im derzeitgen aktuellen Stillstand in der Physik, sprich die immer und immer wiederkehrende Bestätigung des Standardmodells, den Fortschritt wieder in Gang zu setzen.

Es sei aber die Frage erlaubt, ob die Einführung willkürlich erscheinender Freiheitsgrade wirklich so zielführend ist: die Idee, den Neutrinos keine feste Ruhemasse zuzugestehen, hebelt einen wesentlichen Grundsatz der heutigen Physik auf, nämlich das Konzept der Ruhemasse, welches bislang "nicht verhandelbar" war.


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[Bernhard]

die Idee, den Neutrinos keine feste Ruhemasse zuzugestehen, hebelt einen wesentlichen Grundsatz der heutigen Physik auf, nämlich das Konzept der Ruhemasse, welches bislang "nicht verhandelbar" war.

Hallo Ralf,
die zitierte Aussage kann ich im Artikel so nicht finden. Im Artikel wird der Zeitpunkt der Entstehung der Masse angesprochen. Für mich liest sich das damit eher nach einer Alternative zum Higgs-Mechanismus.

 

[ralfkannenberg]

die zitierte Aussage kann ich im Artikel so nicht finden.

Hallo Bernhard,

welchen Artikel meinst Du ? Einen Fachartikel habe ich nicht gefunden (ok, auch nicht gesucht) und die von mir zitierte Passage habe ich per copy/paste aus dem astronews-Artikel übernommen.


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[Bernhard]

welchen Artikel meinst Du ?

Hallo Ralf, ich meine auch den astronews-Artikel.

Einen Fachartikel habe ich nicht gefunden (ok, auch nicht gesucht) und die von mir zitierte Passage habe ich per copy/paste aus dem astronews-Artikel übernommen.

Ich kenne das Standardmodell der Kosmologie so, dass das sich aus dem Inflatonfeld nach der Inflationsphase die bekannten Felder wie das Higgs-Feld und die anderen Materiefelder (Elektronen, Quarks, Photonen usw.) bilden. Die massebehafteten Felder bekämen demnach sehr bald nach dem Urknall per Higgs-Mechanismus ihre Massen.

Meine Vermutung wäre nun, dass die von Dir oben zitierte Textpassage so zu verstehen sein könnte, dass die Neutrinos ihre effektiven Massen zeitlich gesehen viel später über einen anderen Mechanismus erhalten. Somit stellt sich dann die Frage nach einer zeitlich variablen Masse mit Abschluss dieses nicht näher erklärten Mechanismus erst gar nicht.

 

[ralfkannenberg]

Hallo zusammen,

ich habe hier eine 7 Jahre alte Arbeit von Frau Funke zu diesem Thema gefunden:

Small neutrino masses from gravitational θ-term (Gia Dvali, Lena Funcke)


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[Bernhard]

Interessante Arbeit

 

[Klaus]

Ist es nicht so, dass sich die Masse rein in den Feldern der Teilchen steckt? Woraus bestehen die sonst? Da sollte sich die Neutrinomasse doch auch aus dessen Feldenergie bzgl. der schwachen Wechselwirkung ergeben, oder nicht?

Ungeachtet dessen, zielt aber meine anfängliche Frage darauf ab, ob auch die Gravitation bzw. die eben jene verursachende Masse der Erde speziell-relativistisch zunehmen, was bekanntlich von vielen Leuten bestritten wird. Doch genau diese Frage dürfte sich trivial an Hand der Strahlführung in Teilchenbeschleunigern beantworten lassen, da ja die elektrische Feldkräfte der Haltefelder speziell-relativistisch anwachsen und eine notwendige Verringerung derselben bei zunehmender Energie der Teilchen bekannt sein dürfte.

 

[Bernhard]

Doch genau diese Frage dürfte sich trivial an Hand der Strahlführung in Teilchenbeschleunigern beantworten lassen, da ja die elektrische Feldkräfte der Haltefelder speziell-relativistisch anwachsen und eine notwendige Verringerung derselben bei zunehmender Energie der Teilchen bekannt sein dürfte.

Das wird in der Praxis ohne Sensoren ausgeregelt. Um gravitative Effekte zB von Antiwasserstoff zu untersuchen, gibt es am CERN speziell dafür ausgelegte Experimente wie das hier: AEgIS on track to test free fall of antimatter

 

[Klaus]

Danke Bernhard! Klingt zwar technisch interessant, hilft nur leider in Bezug auf meine Frage nicht unmittelbar weiter.

Beim freien Fall geht es ja um anderes, auch wenn ich das Ergebnis in Bezug auf Antimaterie spannend finde.
Wir hatten hier ja auch schon die Frage, ob die Hälfte der Galaxien aus Antimaterie besteht und Antimaterie gravitativ etwas schwächer angezogen wird...

 

[ralfkannenberg]

ob die Hälfte der Galaxien aus Antimaterie besteht

Hallo Klaus,

aufgrund der zahlreichen Mergers von Galaxien in der Vergangenheit hätte das zur Folge, dass durchschnittlich jeder 2.Stern bzw. Doppel-/Mehrfachsystem aus Materie und jeder andere zweite Stern bzw. Doppel-/Mehrfachsystem aus Antimaterie bestehen würde. Tatsächlich stossen bei so einem Merger kaum Sterne zusammen, d.h. nur geringe Sternmassen würden aufgrund von Annihilierung verloren gehen. Ich vermute aber, dass zusammenstossende Materiewolken in den Sternentstehungsgebieten ein anderes Verhalten als das beobachtete Verhalten aufweisen würden, wenn da durchschnittlich jeder zweite Stern bzw. Sternsystem aus Materie und jeder andere zweite Stern bzw. Sternsystem aus Antimaterie bestehen würde.


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[Klaus]

Ich würde bei große Galaxien und deren Satelliten stets eine halbwegs homogene Materieform voraussetzen, aber eine Galaxie wie Andromeda könnte z.B. ein Antimateriezwilling der Milchstraße sein. Wir können so was derzeit noch nicht ausschließen.
Wenn dünne Antiwasserstoffwolken auf Wasserstoffwolken treffen, dürften die Energie der Annihilation beide vom Ort des Zusammenpralls wegblasen und durch die Verdichtung ggf. etwas zusätzliche Sternenbildung in beiden Wolken triggern. Man kann aber wohl davon ausgehen, daß die Materie in allen Sternentstehungsgebieten homogen ist.

 

[ralfkannenberg]

Ich würde bei große Galaxien und deren Satelliten stets eine halbwegs homogene Materieform voraussetzen

Hallo Klaus,

warum sollte die Milchstrasse bislang nur Materie-Zwerggalaxien "gefressen" haben, wenn im Durchschnitt jede zweite Galaxie aus Anti-Materie besteht ?


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[Klaus]

Hallo Ralf,

hier ist nochmal der Thread mit den Links https://www.astronews.com/community/threads/antimateriesterne-in-der-milchstraße.10851/

Der Ausgangspunkt war, daß man in der kosmischen Strahlung Antihelium gefunden hat und man davon ausging, daß das sich das Antihelium innerhalb von Antimateriesternen aus Antiwasserstoff gebildet hat und es ergo Antimateriesterne geben müßte. Bei der Suche nach der charakteristischen Strahlungssignatur von Antisternen ergab sich, daß 2,5 pro einer Million Sterne aus Antimaterie bestehen könnten.
Antisterne können aber gar nicht entstehen, wenn bei der Entstehung von Materie eine Paritätsverletzung stets zu einem Überschuß an gewöhnlicher Materie führt und Antimaterie somit immer direkt vernichtet wird, statt überhaupt hinreichend große Konzentrationen zu bilden. Aber bislang gibt es auch gar keine Hinweise auf eine hinreichende große Paritätsverletzung, die zu einem Überschuß an normaler Materie führt.

Nur wenn sich Materie und Antimaterie stets im Verhältnis 1:1 durch Paarerzeugung bilden, dann vernichten sich Materie und Antimaterie sehr schnell wieder gegenseitig, es sei denn, es gibt Mechanismen, die zu einer Entmischung und lokalen Konzentrationen von unterschiedlichen Materieformen führen. Dazu müssen dann aber Materie und Antimaterie über irgendwelche Eigenschaften verfügen, welche zur Bildung lokaler Konzentrationen einzelner Materieformen führen.

Wenn sich jetzt aber gewöhnliche elektrisch neutrale Materie gegenseitig stärker gravitativ anzieht als sie Antimaterie anzieht, dann passiert eben das und es bilden sich innerhalb größerer räumlicher Abstände ggf. anwachsende Konzentrationen von unterschiedlichen Materieformen, aus welchen sich dann wiederum Sterne und Galaxien bilden können.

Das impliziert jedoch, daß sich bei jeder lokalen Konzentration einer Materieform in einigem Abstand auch gleich große Mengen an Antimaterie konzentrieren und es sollte somit zu praktisch allen Galaxien auch Antimateriegegenstücke geben, sofern letztere nicht durch intergalaktischen gravitativen Pingpong irgendwann von ihnen weggeschleudert wurden.

Ich mag mir das jetzt vielleicht nur einbilden aber tatsächlich sieht man auf vielen astronomischen Aufnahmen auch so einige Paare aus recht ähnlich anmutenden und ähnlich weit entfernten großen Galaxien, die irgendwie eine möglicherweise gemeinsame Entstehung nahelegen.
Jedenfalls finde ich aus diesem Grund das Gravitationsexperiment mit der Antimaterie reichlich spannend.
Ob sich jetzt aber Materie kontinuierlich im intergalaktischem Raum bildet oder sich sämtliche Materie bereits kurz nach dem Urknall bildete bleibt dabei natürlich offen. (Ich hoffe, das war jetzt alles nicht viel zu lang und viel zu weit ausgeholt.)

Freundliche Grüße,
Klaus

 

[ralfkannenberg]

Hallo Klaus,

ich bitte bei Deinen Überlegungen einfach 2 Dinge zu bedenken:

erstens gibt es keinerlei Hinweise darauf, dass sich Materie und Antimaterie in ihrer Anziehungskraft unterscheiden

zweitens müssten gemäss Deiner These bei der Akkretierung von Milchstrassen in etwa die Hälfte der akkretierten Zwerggalaxien aus Antimaterie bestehen, d.h. es würde grössere Massenansammlungen von Antimaterie in jeder grösseren Materie-Galaxie geben


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[Klaus]

Hallo Ralf,

die Frage ist doch, in welchen Entfernungen sich unterschiedliche Materieformen konzentrieren. Es spricht nichts dagegen, dass sich in jenen Konzentrationszonen zuerst Zwerggalaxien und aus diesen später Riesengalaxien bilden, wobei die Materie in der gesamten lokalen Zone durchaus homogen sein kann.
Was die gravitative Anziehungskraft auf Antimaterie betrifft, so findet man leider auf der von Bernhard verlinkten Seite vom LHC noch keine Ergebnisse. Wenn es jedoch irgendein Feld gibt, das sich mit dem Gravitationsfeld überlagert und wie selbiges mit dem Abstandsquadrat abnimmt, aber auf Materie und Antimaterie mit umgekehrten Vorzeichen wirkt, dann würde das bereits zum Separieren der Materieformen genügen und zwar selbst dann, wenn diese Kraft um ein paar Größenordnungen schwächer sein sollte, als die Gravitation.

Freundliche Grüße,
Klaus

 

[ralfkannenberg]

die Frage ist doch, in welchen Entfernungen sich unterschiedliche Materieformen konzentrieren. Es spricht nichts dagegen, dass sich in jenen Konzentrationszonen zuerst Zwerggalaxien und aus diesen später Riesengalaxien bilden, wobei die Materie in der gesamten lokalen Zone durchaus homogen sein kann.

Hallo Klaus,

das aber würde bedeuten, dass der Andromedanebel ebenfalls aus Materie bestehen muss.

Was die gravitative Anziehungskraft auf Antimaterie betrifft, so findet man leider auf der von Bernhard verlinkten Seite vom LHC noch keine Ergebnisse.

An sich überrascht mich diese Fragestellung, denn die Massen sind ja zumindest aus theoretischer Sicht gleich. Aber ok, soviel ich weiss kann man nur ausschliessen, dass die schwere Masse von Wasserstoff nicht 110-mal schwerer ist als diejenige von normalem Wasserstoff; das wird man aber ziemlich sicher noch genauer ermiteln können.

Wenn es jedoch irgendein Feld gibt

Das ist aber rein spekulativ und gehört in die Kategorie "5.Grundkraft". Du weisst, dass man mit solchen "5.Grundkräften" so viele Freiheitsgrade gewinnt, dass man so ziemlich alles beweisen kann, sprich die Physik wird dann willkürlich.


Ich persönlich hätte Deine These übrigens in die "andere Richtung" ausgedehnt, d.h. postuliert, dass die Hälfte der Nachbarsterne der Sonne aus Antimaterie bestehen könnten. Sternkollisionen sind extrem selten, d.h. man würde das so ohne weiteres vermutlich gar nicht merken. Also das ganze nicht auf Galaxienebene, sondern auf Sternebene. Man würde dann Probleme in bereichen bekommen, in denen sich die Oortschen Wolken der betroffenen Sterne überlagern, auch auch hier ist die Dichte der betroffenen Objekte in der heutigen Epoche der betroffenen Sterne so gering, dass es da auch kaum zu Kollisionen kommt. Und wenn da ein Antimaterie-Komet in die Sonne abstürzt wird man das vermutlich auch nicht wirklich messen können, dafür hat ein Komet nicht genügend Masse.

Ein Problem könnten die Sternentstehungsgebiete sein, nicht in unserer Milchstrasse, aber in fernen Galaxien, da würde man möglicherweise Annihilierungsprozesse beobachten können, aber ich habe das nicht durchgerechnet und es ist gut möglich, dass man das ebenfalls nicht unterscheiden könnte.


Freundliche Grüsse, Ralf

 

[Klaus]

Hallo Klaus,

das aber würde bedeuten, dass der Andromedanebel ebenfalls aus Materie bestehen muss.

Nun ja - nicht zwingend. Es kommt da allein auf die Entfernungen an.

Das ist aber rein spekulativ und gehört in die Kategorie "5.Grundkraft". Du weisst, dass man mit solchen "5.Grundkräften" so viele Freiheitsgrade gewinnt, dass man so ziemlich alles beweisen kann, sprich die Physik wird dann willkürlich.

Ich bin kein Freund von neuen Freiheitsgraden, insbesondere, wenn diese auf freie Variablen zurückgehen.
Aber über die gravitative Anziehung von Antimaterie verfügen wir noch gar kein empirisch gesichertes Wissen.
Die gesuchte Paritätsverletzung wurde bisher nicht entdeckt, aber Antimateriesterne würden eine solche nahezu ausschließen.
Es muß es sich auch nicht zwingend um eine neue Kraft handeln, sondern es könnte sich auch um eine bislang noch nicht
berücksichtigte Fernwirkung einer bekannten Kraft handeln denn statische Felder erstrecken sich ja in das Unendliche.

Ich persönlich hätte Deine These übrigens in die "andere Richtung" ausgedehnt, d.h. postuliert, dass die Hälfte der Nachbarsterne der Sonne aus Antimaterie bestehen könnten. Sternkollisionen sind extrem selten, d.h. man würde das so ohne weiteres vermutlich gar nicht merken.

Bei einem Höchstanteil von 2,5 ppm an der gesamten Sternenpopulation (laut der Studie) ist das extrem unwahrscheinlich. Aber man sollte die Sterne, für welche der Verdacht auf einen Antimateriestern besteht, mal alle näher untersuchen. Sollte es sich in der Tat um Antmateriesterne handeln, sind die vermutlich durch ein intergalaktisches Pingpong hier gelandet. Gleichzeitig wäre es dann aber unlogisch, daß der lokale Materieüberschuß aus einer Paritätsverletzung herrührt.

Freundliche Grüße, Klaus

 

[ralfkannenberg]

Bei einem Höchstanteil von 2,5 ppm an der gesamten Sternenpopulation (laut der Studie) ist das extrem unwahrscheinlich.

Hallo Klaus,

jetzt bin ich aber insofern verwirrt, weil Du im Beitrag #11 geschrieben hast, dass jede zweite Galaxie aus Antimaterie bestehen könnte. Da sich in astronomischen Zeiträumen Galaxien oft miteinander verbinden, wobei dabei aber Sternkollisionen extrem selten sind - weniger als 10 pro Galaxienmerger, und es keinen Grund für die Annahme gibt, dass sich nur Materie-Galaxien mit Materie-Galaxien und Antimaterie-Galaxien nur mit Antimaterie-Galaxien verbinden, müssten somit zumindest die grossen Galaxien in etwa zur Hälfte aus Materie-Sternen und zur Hälfte aus Antimaterie-Sternen bestehen.

Und der Andromedanebel ist wie unsere Milchstrasse in der Lokalen Gruppe, d.h. in galaktischen Entfernungsskalen eine sehr nahegelegene Galaxie und sollte somit gemäss Deiner Argumentation über den Abstand nicht wie Du in #13 geschrieben hast ein Antimaterie-Zwilling unserer Milchstrasse sein können.


Freundliche Grüsse, Ralf