Warum gibt es Myonen ?

[Mondkalb]

Könnte ein Universum nur mit up- und down-Quarks sowieso Elektronen und Neutrinos funktionieren ?
(Und den Austauschteilchen für die vier Wechselwirkungen.)
D.h. also Atome und Moleküle entstehen, Leben auf einem Planeten usw.

Dazu gab es im Mai-Heft von Spektrum der Wissenschaft einen interessanten Artikel, der sich damit beschäftigt, welche Kräfte und Teilchen notwendig sind, um in einem Universum Leben zu ermöglichen. Unter anderem ging es auch darum, wie ein Universum ohne schwache Wechselwirkung aussehen würde:

Kosmologie: Leben im Multiversum - Spektrum der Wissenschaft


.
EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
Mondkalb schrieb nach 7 Minuten und 12 Sekunden:

Das verstehe ich auch nicht. Warum muss es zu jeder Quark-Familie eine Leptonen-Familie geben ? Das Schema ist ja sehr schön, aber für mich nicht zwingend logisch. In welcher Beziehung etwa stehen Myon und Strange-Quark ?

Nach der Vorstellung des Standardmodells gab es ursprünglich nur eine Kraft und nur eine Sorte Teilchen und bei entsprechend hohen Temperaturen bzw. Energien sollten sich die heute bekannten Kräfte nicht mehr unterscheiden lassen. Bei der Abkühlung des Universums kurz nach dem Urknall kam es zu Symmetriebrechungen, die aus der einen Kraft mehrere werden ließen.

[irony]

Unter anderem ging es auch darum, wie ein Universum ohne schwache Wechselwirkung aussehen würde

Danke für den Link. Von der schwachen WW habe ich gehört, dass die der Grund dafür ist, dass die Sonne eine so lange Lebensdauer hat, weil durch die schwache WW die Kernfusion verlangsamt wird.

Nach der Vorstellung des Standardmodells gab es ursprünglich nur eine Kraft und nur eine Sorte Teilchen und bei entsprechend hohen Temperaturen bzw. Energien sollten sich die heute bekannten Kräfte nicht mehr unterscheiden lassen. Bei der Abkühlung des Universums kurz nach dem Urknall kam es zu Symmetriebrechungen, die aus der einen Kraft mehrere werden ließen.

So weit ich das verstanden habe, sind die vier bekannten WW bei hohen Energie nur gleich stark, aber es bleiben vier verschiedene WW.

[Mondkalb]

Es sind Aspekte einer einzigen Kraft. Bei entsprechend hohen "Vereinheitlichungsenergien" sollte es auch keinen Unterschied zwischen Materieteilchen mit Spin 1/2 geben, also Quarks und Leptonen.

Am sperrigsten zeigt sich bei dieser großen Vereinheitlichung bisher die Gravitation, für die anderen Kräfte ist das theoretisch wohl schon ganz gut ausformuliert.

Eine verständliche populärwissenschaftliche Darstellung gibt es dazu von Brian Greene in seinem Buch "Der Stoff aus dem der Kosmos ist".
Eine Beschreibung des Kapitels zum Konzept der Symmetriebrechung macht das vielleicht klarer:

http://www.scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2010/05/grosse-vereinheitlichung-und-higgsfelder-im-vakuum-ist-jede-menge-los.php

[irony]

Eine Beschreibung des Kapitels zum Konzept der Symmetriebrechung macht das vielleicht klarer:
Große Vereinheitlichung und Higgs-Felder: im Vakuum ist jede Menge los | Astrodicticum Simplex | ScienceBlogs.de - Wissenschaft, Kultur, Politik

Der entscheidende Abschnitt scheint mir folgender zu sein:

Und wenn wir nun denn Higgs-Mechanismus mit der Symmetriebrechung kombinieren, dann kommen wir zur großen Vereinheitlichung. Als das Universum noch heiß war, hat das Higgs-Feld wild hin und her geschwankt und hatte im Durchschnitt den Wert Null. Das heisst aber auch, dass alle Teilchen masselos waren - denn ein Higss-Feld, das Masse erzeugen konnte, gab es ja nicht. Wenn es aber keinen Unterschied mehr zwischen den Teilchen gab, dann macht es auch keinen Sinn, von verschiedenen Teilchen zu sprechen. Wenn es keine Möglichkeit gibt, zwischen Photon und top-Quark zu unterscheiden, dann sind Photon und top-Quark identisch. Und nicht nur das: auch die Kräfte unterscheiden sich nicht mehr voneinander. Denn die werden ja durch die Übertragungsteilchen definiert - und die sind nun ja auch identisch.

Dass das Higgs-Feld wild hin und her schwankte, heißt, dass es zu bestimmten Zeitpunkten nicht Null war. D.h. die Teilchen hatten Masse und waren unterscheidbar. Außerdem ist mir das mit Higgs-Feld nicht klar. Vielleicht gibt es das ja auch gar nicht.

Interessant wäre aber mal die Frage, wie sich aus diesem ganzen Higgs-Dingsbums die unterschiedliche Masse von Elektron und Myon ergibt.

[Mondkalb]

Nach dem Higgs wird ja im CERN verzweifelt gesucht, vielleicht gibt es dazu bald Neuigkeiten.

Es könnte sogar ein Higgs-Feld geben, aber vielleicht gar kein Higgs-Boson:
Das Higgs-Boson oder 'Wie erhalten Teilchen Masse?'

[irony]

Nach dem Higgs wird ja im CERN verzweifelt gesucht, vielleicht gibt es dazu bald Neuigkeiten.

Ich hoffe es, denn das Ganze kostet ja auch viel Geld.

Es könnte sogar ein Higgs-Feld geben, aber vielleicht gar kein Higgs-Boson:
Das Higgs-Boson oder 'Wie erhalten Teilchen Masse?'

So wirklich verstehe ich es nicht.

Dort steht aber zu lesen:

Es könnte einen Higgs-Mechanismus und ein Higgs-Feld in unserem Universum geben, ohne dass es dazu ein Higgs-Boson gibt. Die nächste Speicherring-Generation wird diesen Punkt klären.

Was ist denn mit der nächsten Speicherring-Generation gemeint ?
Das LHC oder was danach kommt ? Wollen die Physiker jetzt etwa noch was Größeres bauen, weil sie das Higgs-Boson mit dem LHC nicht gefunden haben ? Und was wird das dann wieder kosten ?

[Mondkalb]

Damit ist eigentlich der LHC am CERN gemeint. Die abgeschätzte Oberenergie für das Higgs-Boson liegt wohl innerhalb der Reichweite des LHC, so dass hoffentlich dort die Existenz oder Nichtexistenz nachgewiesen werden kann.

Und was Größeres wird es über kurz oder lang ganz sicher geben.

[irony]

Damit ist eigentlich der LHC am CERN gemeint. Die abgeschätzte Oberenergie für das Higgs-Boson liegt wohl innerhalb der Reichweite des LHC, so dass hoffentlich dort die Existenz oder Nichtexistenz nachgewiesen werden kann.

Dass man die Existenz nachweis, kann ich ja noch sehen.
Aber wie weist man Nichtexistenz nach ?

Außerdem heißt es ja, es könne Higgs-Felder ohne Higgs-Bosonen geben.
Wie weist man dann die Existenz eines solchen Higgs-Feldes nach ?
Reicht der LHC auch für diesen Fall ?

Und wenn man weder das Boson noch das Feld findet, wollen die Physiker dann nicht doch wieder was Größeres haben ?

Wie groß ist eigentlich der theoretisch größtmögliche Teilchenbeschleuniger, den man auf der Erde bauen könnte.

Einmal um den Äquator rum wird man ja wohl nicht hinkriegen, selbst theoretisch nicht, oder doch ? Und was würde das im Vergleich zum LHC bringen ?

[Bynaus]

Aber wie weist man Nichtexistenz nach

Indem die Energie eben bis zur theoretischen Obergrenze, innerhalb der man das Higgs erwartet, "raufgedreht" wurde, ohne dass das Higgs dabei auftauchte. Das ist dann zwar kein "Beweis für die Nichtexistenz" des Higgs, zeigt aber immerhin, dass es im untersuchten Energiebereich zu selten auftritt, als dass man es hätte beobachten können - oder aber, eine höhere Masse hat als angenommen.

Und wenn man weder das Boson noch das Feld findet, wollen die Physiker dann nicht doch wieder was Größeres haben ?

Soviel ich weiss ist das Higgs das letzte "fehlende" Teilchen des Standard-Modell-Teilchenzoos. Wenn man nun aber die ersten supersymetrischen Teilchen entdecken sollte, könnte es gut sein, dass alles von vorn losgeht

Wie groß ist eigentlich der theoretisch größtmögliche Teilchenbeschleuniger, den man auf der Erde bauen könnte.

Einmal um die Erde rum? Rund um den Mond wäre an sich auch nicht schlecht, zwar ist die Strecke etwas kürzer als in der Äquatorvariante, aber dafür hätte man keine störenden Ozeane, die man überbrücken muss (dafür der gelegentliche Tunnel / Brücke, wobei zumindest letzeres auf dem Mond dank der geringeren Gravitaiton einfacher ist), das Vakuum ist besser als man es industriell je hinkriegen würde und es gibt kein störendes planetares Magnetfeld.

[Agent Scullie]

Ich will ja jetzt nicht allzu kleinlich sein, aber dieser Sprachgebrauch von Zerfall und Zerfallsprodukten ist dann doch ziemlich irre führend, wenn Zerfall eher so etwas meint:

ja, der Begriff "Zerfall" wird eigentlich nur aus Gründen der Tradition weiterbenutzt, nicht weil er traditionellen Vorstellungen von einem Zerfall (dass etwas zusammengesetztes in seine Bestandteile zerfällt) entsprechen würde.

Grundsätzlich kann ich mir so etwas vorstellen, aber für mich klingt das eher nach objektorientierter Programmierung, wo ein Destruktor für Objekt X aufgerufen wird und gleich danach ein Konstruktor für Objekt Y.

so ähnlich ist es tatsächlich. In der Mathematik der QFT gibt es den Fockraum-Formalismus, wo für jede Teilchenart Erzeuge- und Vernichteoperatoren definiert sind. Bei Wechselwirkungsprozessen kann man dann den Endzustand durch Anwendung der Vernichteoperatoren für die einlaufenden Teilchen und der Erzeugeoperatoren für die auslaufenden Teilchen auf den Anfangszustand darstellen. Historisch gesehen gab es den Fockraumformalismus (~1930) aber Jahrzehnte vor dem Konzept der objektorientierten Programmierung

Und woraus werden die Teilchen erzeugt ?

die Erzeugung eines Teilchens entspricht wie gesagt einer Zustandsänderung des jeweiligen Feldes. Damit eine solche Zustandsänderung eintreten kann, müssen die entsprechenden Voraussetzungen erfüllt sein, es muss z.B. die nötige Energie vorhanden sein, und, wenn das zu erzeugende Teilchen ein Ladungsträger ist, muss die erforderliche Ladung verfügbar sein, z.B. muss ein anderes geladenes Teilchen vernichtet werden.

Die genauen Details solcher Zustandsänderungen sind noch nicht sehr gut verstanden, die entsprechenden QFT-Rechnungen sind sehr kompliziert. Lange Zeit begnügte man sich daher mit dem Verfahren der Störungsrechnung, bei dem man nur die Übergangswahrscheinlichkeiten von Anfangs- in Endzustände berechnet, ohne die Zwischenzustände näher zu betrachten.

Wie gesagt, für mich klingt das mehr nach Computerprogramm, quasi nach einer Holodeck-Simulation unseres Universums als nach echter realer Physik.

die Physik richtet sich nicht danach, wie sie für dich klingt

Einfach nur für jede Leptonen-Sorte ein eigenes Quantenfeld anzunehmen ist für mich auch noch keine Erklärung.

es sollte auch gar keine [Erklärung, warum es genau drei Teilchenfamilien geben müsse] sein. Ich sagte ja: im Standardmodell sind die drei Teilchenfamilien nur experimentelles Fakt, ohne theoretische Erklärung.

Was genau sind nun diese Quantenfelder ?
Sind diese Felder die Realität oder nur mathematische Konstrukte ?

wenn man die QFT ernstnimmt - was du aber offenbar nicht tun willst - läuft das darauf hinaus, dass sie Realität sind.

Und wie hängt ein Myon-Feld mit einem Elektron-Feld zusammen ?

in der QFT an sich gar nicht. Das sind einfach zwei unterschiedliche leptonische Felder. Im Standardmodell gibt es wie gesagt die Quark-Leptonen-Symmetrie, die aber nur Beobachtung ist, ohne theoretische Deutung. In vereinheitlichen Theorien könnte es tatsächlich eine tieferen Zusammenhang geben.


.
EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
Agent Scullie schrieb nach 7 Minuten und 7 Sekunden:

Nach der Vorstellung des Standardmodells gab es ursprünglich nur eine Kraft und nur eine Sorte Teilchen

nicht ganz. Im Standardmodell treten die starke WW und die zur elektroschwachen WW vereinheitlichte elektromagnetische und schwache WW als getrennte Kräfte auf. Theorien, in denen die starke und elektroschwache Kraft aus einer einzigen Kraft hervorgegehen, gehören nicht mehr zum Standardmodell.

[irony]

die Physik richtet sich nicht danach, wie sie für dich klingt

Was ich meinte, war dieses Aufrufen von Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren für Elementarteilchen klingt für mich eher nach einem objektorientierten Computerprogramm, quasi nach einer Holodeck-Simulation unseres Universums als nach physikalischer Realität. Geschrieben hatte ich "reale Physik", was irgendwie nicht passt.

wenn man die QFT ernstnimmt - was du aber offenbar nicht tun willst - läuft das darauf hinaus, dass sie Realität sind.

Warum sollte ich die QFT nicht ernst nehmen ? Zumindest als das was sie ist, eine Theorie, die zu den Experimenten passt, aber nicht wirklich etwas erklärt. Diese Quantenfelder sind mir zu mystisch, rein mathematisch, ich kann mir darunter nichts Reales vorstellen.

Siehe z.B. http://de.wikipedia.org/wiki/Quantenfeldtheorie

Ich kann mich ja auch irren, aber wenn ich mir so einige Wikipedia-Artikel durchlese und was man im Zusammenhang damit dann an Literatur im Netz findet, dann habe ich den Eindruck, dass die Physik es längst aufgegeben hat, Dinge noch wirklich erklären zu wollen, d.h. wie etwas vor sich geht, was Elementarteilchen wirklich sind usw.

Sondern sie beschränkt sich mehr oder weniger darauf, die mathematischen Formeln zu liefern, die zu den experimentellen Fakten passen.

Wahrscheinlich könnte man jetzt die Quantenfeldgleichungen für Elektronen und Myonen hinschreiben, aber sie würden nicht wirklich erklären, was Elektronen und Myonen sind und warum sie sich in einem ganz bestimmten Massenverhältnis unterscheiden, und es würde auch nicht klar werden, ob und warum es Myonen in der Natur geben muss.

[Agent Scullie]

Der entscheidende Abschnitt scheint mir folgender zu sein:

Dass das Higgs-Feld wild hin und her schwankte, heißt, dass es zu bestimmten Zeitpunkten nicht Null war. D.h. die Teilchen hatten Masse und waren unterscheidbar.

eigentlich geht der Higgs-Mechanismus davon aus, dass sich im der Phase ungebrochener Symmetrie der Higgs-Feld sehr schnell in den Zustand begab, in dem sein effektives Potential minimal war - das war gerade der Zustand wo das Feld selbst null war. Wild geschwankt hat es dann eigentlich nicht mehr.

Außerdem ist mir das mit Higgs-Feld nicht klar. Vielleicht gibt es das ja auch gar nicht.

sicher, das Higgs-Feld ist bislang nur Theorie. Jedoch ist bislang keine Alternative zum Higgs-Mechanismus als Mechanismus zur Herbeiführung von Symmetriebrechungen bekannt.

Interessant wäre aber mal die Frage, wie sich aus diesem ganzen Higgs-Dingsbums die unterschiedliche Masse von Elektron und Myon ergibt.

das Higgs-Feld koppelt mit unterschiedlicher Stärke an die anderen Felder. Das kannst du dir in etwa so vorstellen: sei phi der Wert des Feldes und h_e die Kopplungskonstante des Higgs-Feldes an z.B. das Elektronenfeld, haben alle die Elektronen eine Masse von ~h_e * phi. Alle Myonen hingegen die Masse h_mu * phi, wobei h_mu die Kopplunskonstante des Higgs-Feldes an das Myonenfeld ist.

[irony]

das Higgs-Feld koppelt mit unterschiedlicher Stärke an die anderen Felder. Das kannst du dir in etwa so vorstellen: sei phi der Wert des Feldes und h_e die Kopplungskonstante des Higgs-Feldes an z.B. das Elektronenfeld, haben alle die Elektronen eine Masse von ~h_e * phi. Alle Myonen hingegen die Masse h_mu * phi, wobei h_mu die Kopplunskonstante des Higgs-Feldes an das Myonenfeld ist.

Sicher, das macht schon Sinn, ich verstehe das auch ungefähr, dass diese Konstante angibt, wie viel Masse ein Teilchen vom Higgsfeld bekommt.

Aber eine Erklärung ist es ja nicht. Man steckt im Grunde die experimentell ermittelte Masse einfach in eine Formel hinein, anstatt sie aus ihr herauszubekommen.

Schöner wäre eine Formel, aus der sich die Myonen-Masse ergibt, so dass man sie experimentell überprüfen kann.

[Mondkalb]

nicht ganz. Im Standardmodell treten die starke WW und die zur elektroschwachen WW vereinheitlichte elektromagnetische und schwache WW als getrennte Kräfte auf. Theorien, in denen die starke und elektroschwache Kraft aus einer einzigen Kraft hervorgegehen, gehören nicht mehr zum Standardmodell.

Sorry, ich meinte ja auch gar nicht das Standardmodell sondern die GUT.

Ich will ja jetzt nicht allzu kleinlich sein, aber dieser Sprachgebrauch von Zerfall und Zerfallsprodukten ist dann doch ziemlich irre führend, wenn Zerfall eher so etwas meint:

Grundsätzlich kann ich mir so etwas vorstellen, aber für mich klingt das eher nach objektorientierter Programmierung, wo ein Destruktor für Objekt X aufgerufen wird und gleich danach ein Konstruktor für Objekt Y.

Und woraus werden die Teilchen erzeugt ?

Wie gesagt, für mich klingt das mehr nach Computerprogramm, quasi nach einer Holodeck-Simulation unseres Universums als nach echter realer Physik. ...

Mit der "realen" Physik ist das so eine Sache. Die Welt besteht im Gegensatz zu unserer alltäglichen Erfahrung praktisch aus leerem Raum. Objekte die wir anfassen können, sind nicht im philosophischen Sinne feste Körper. Die elektrischen Kräfte bzw. Felder der Elektronen in unserer Haut und in Objekten sorgen dafür, dass wir nicht einfach durch die Dinge hindurchfassen können.

Die Elektronen sind winzig, etwa so groß wie Quarks - zwischen ihnen und dem Atomkern ist leerer Raum, der Kern nimmt nur einen winzigen Teil eines Atoms ein. Die Ausdehnung von Atomen wird praktisch durch das elektrische Feld der Elektronenhülle definiert.
Selbst die Nukleonen im Kern sind nicht "massiv". Sie bestehen aus drei Quarks, bzw. aus einem wirren Gemisch von virtuellen Quarks und Gluonen.

Und wenn die Stringtheorie sich als die Erklärung aller Dinge erweisen sollte, dann sind auch Quarks und Elektronen nur eine Wolke aus Nichts, in der irgendwo ein winzig kleiner String schwingt, der wahrscheinlich in etwa die Ausmaße einer Planck-Länge hat.

Im Unterricht und in Vorlesungen oder in Büchern sind die Visualisierungen von Elementarteilchen als massive Kugeln ganz praktisch, aber man darf diese menschliche Erfahrung nicht auf den Mikrokosmos übertragen.

[Agent Scullie]

Was ich meinte, war dieses Aufrufen von Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren für Elementarteilchen klingt für mich eher nach einem objektorientierten Computerprogramm, quasi nach einer Holodeck-Simulation unseres Universums als nach physikalischer Realität.

nichts anderes habe ich angenommen was du meinen würdest. Und darum mein Gegenargument: die Physik richtet sich nicht danach, wie sie für dich klingt.

Warum sollte ich die QFT nicht ernst nehmen ?

das liegt irgendwie nahe, wenn du ein solches Urteil über sie fällst:

Was ich meinte, war dieses Aufrufen von Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren für Elementarteilchen klingt für mich eher nach einem objektorientierten Computerprogramm, quasi nach einer Holodeck-Simulation unseres Universums als nach physikalischer Realität.

Zumindest als das was sie ist, eine Theorie, die zu den Experimenten passt, aber nicht wirklich etwas erklärt. Diese Quantenfelder sind mir zu mystisch, rein mathematisch, ich kann mir darunter nichts Reales vorstellen.

anders gesagt: du willst (oder kannst) die QFT nicht ernstnehmen.

Ich kann mich ja auch irren, aber wenn ich mir so einige Wikipedia-Artikel durchlese und was man im Zusammenhang damit dann an Literatur im Netz findet, dann habe ich den Eindruck, dass die Physik es längst aufgegeben hat, Dinge noch wirklich erklären zu wollen, d.h. wie etwas vor sich geht, was Elementarteilchen wirklich sind usw.

oder du willst/kannst die Art, wie sie das tut, nicht ernstnehmen. Vielleicht weil du allzu sehr traditionellen Vorstellungen verhaftet bist. "Der gesunde Menschenverstand ist nichts weiter als eine Hinterlassenschaft vorgefasster Meinungen, die sich bereits im Alter von 18 Jahren verfestigt haben", wie Einstein sagte.

Sondern sie beschränkt sich mehr oder weniger darauf, die mathematischen Formeln zu liefern, die zu den experimentellen Fakten passen.

das kann man über die Störungsrechnung sagen, aber nicht für die QFT selbst.

Wahrscheinlich könnte man jetzt die Quantenfeldgleichungen für Elektronen und Myonen hinschreiben, aber sie würden nicht wirklich erklären, was Elektronen und Myonen sind und warum sie sich in einem ganz bestimmten Massenverhältnis unterscheiden, und es würde auch nicht klar werden, ob und warum es Myonen in der Natur geben muss.

das Massenverhältnis von Elektron und Myon kann die QFT nicht erklären, nein. Die Elektronen- und Myonenmasse sind in ihr freie Parameter, die durch Beobachtung fesgelegt werden müssen. Da ich vermute, dass dir die klassische Physik mehr zusagt als die "mystische" QFT: eine klassische Theorie, die dieses Massenverhältnis erklären könnte, gibt es genausowenig. Ebenso ist die Zahl der in der Natur existierenden Felder/Teilchenarten ein freier Parameter der QFT, sie kann daher nicht erklären, dass es gerade die Teilchen und Felder gibt, die wir beobachten. Solche Erklärungen bleiben vereinheitlichten Theorien vorbehalten, für die die QFT lediglich eine Grundlage bietet.

Anders sieht es aber mit der Aussagefähigkeit der QFT über die Natur von Teilchen aus. Die Frage nach der Natur eines Elektrons oder Myons ist nämlich von der Frage nach dem Grund für ihr Massenverhältnis weitgehend unabhängig. In der QFT sind die fundamentalen Objekte der Natur Felder. Anders als ein klassisches Teilchen existiert ein Feld nicht nur an einem Ort, sondern an jedem Punkt im Raum gleichermaßen. An jedem Punkt ist ein Wert des Feldes oder eine Feldstärke definiert. In der QFT gibt es für ein Feld nun eine Reihe von möglichen Quantenzuständen, die, sofern man sich auf das freie, nicht in Wechselwirkung mit anderen Feldern stehende Feld beschränkt, mit dem Vorhandensein einer bestimmten Anzahl von Quanten des Feldes, d.h. Teilchen, idenzifizieren kann. So gibt es z.B. einen Vakuumzustand, wo kein Teilchen vorhanden ist, eine Reihe von Zuständen mit einem einzigen Teilchen, Zustände mit zwei Teilchen, usw.