Leptoquarks oder neue Kräfte am LHC?

“Teilchenwelt vor dem Umbruch: Am weltgrößten Beschleuniger häufen sich die Hinweise auf neue Physik”, so titelt das aktuelle Spektrum [1]. Was ist da los? Haben wir die neue Revolution in der Teilchenphysik verschlafen?

Hier die Fakten:

Um welches Experiment geht es?

LHCb ist eines von vier großen Experimenten am Teilchenbeschleuniger LHC an CERN in Genf: Während die größten Experimente ATLAS und CMS direkt nach neuen Teilchen suchen und das Experiment ALICE darauf optimiert ist, in Kollisionen von schweren Ionen (das sind elektrisch geladene Atome) nach Anzeichen eines “Quark-Gluon-Plasmas” zu suchen, hat sich LHCb auf das Studium seltener Teilchen-Zerfälle spezialisiert. Da diese Zerfälle auch durch unbekannte Teilchen vermittelt werden können, ist LHCb in der Lage, nach solchen indirekten Hinweisen auf neue Physik jenseits des Standardmodells zu suchen.

LHCb-Detektor am CERN in Genf (Quelle: CERN).

 

Welche Teilchen kennen wir bereits?

Das Standardmodell kennt verschiedene Klassen von Teilchen, den Quanten zugehöriger Quantenfelder [2]. Zunächst unterscheidet man dabei zwischen Fermionen und Bosonen. Da niemals zwei Fermionen den gleichen Zustand einnehmen können, eignen sie sich zum Aufbau ausgedehnter Materie, deshalb kann man auch von “Materieteilchen” sprechen. Zu den Bosonen gehören dagegen die Feldquanten der elektromagnetischen, schwachen und starken Kräfte sowie das Higgs-Boson, das Feldquant des Higgsfelds, das den anderen Teilchen ihre Masse verleiht (für dessen Entdeckung gab es den Nobelpreis 2013).

Fermionen (oder “Materieteilchen”) im Standardmodell der Teilchenphysik [2].

Bei den Fermionen unterscheidet man zwischen sechs verschiedenen Quarks (Up, Down, Charm, Strange, Top und Bottom) sowie den Leptonen, zu denen das Elektron, seine zwei schwereren Kopien Myon und Tau sowie die Neutrinos gehören. Die zwei leichteren Up- und Down-Quarks bilden die Protonen und Neutronen im Atomkern, das Elektron findet man in der Atomhülle und in der Steckdose. Neutrinos sind schwach wechselwirkende Teilchen, bei denen man erst kürzlich feststellen konnte, dass sie eine Masse besitzen (Nobelpreis 2015). Dazu kommen die jeweiligen Antiteilchen, die sich von den Teilchen dadurch unterscheiden, dass sie die entgegengesetzte Ladung tragen. Die verschiedenen Teilchensorten bezeichnen Physiker auch als “Flavor” (Geschmack).

Was wurde gefunden?

Das LHCb-Experiment untersucht vor Allem Zerfälle von Hadronen, also Quark-Bindungszuständen, die die schweren Bottom-Quarks enthalten. Diese Zerfälle werden im Standardmodell durch die schwache Wechselwirkung, die auch für den radioaktiven Betazerfall verantwortlich ist, ausgelöst. Dabei scheinen insbesondere Übergänge des b-Quarks in das s-Quark und ein Lepton-Antilepton-Paar von der Vorhersage des Standardmodells abzuweichen [3]. Ein Problem dabei ist allerdings, dass die Berechnungen von Prozessen, die Quarks und Gluonen enthalten, aufgrund ihrer starken Wechselwirkungen relativ große Unsicherheiten aufweisen. Bereits 2004 hatte meine Dortmunder Kollegin Gudrun Hiller zusammen mit Frank Krüger deshalb vorgeschlagen, Verhältnisse von Zerfallsraten zu untersuchen, in denen die Unsicherheiten herausfallen [4]. Auch diese Verhältnisse zeigen die Abweichungen vom Standardmodell: Während die schwache Wechselwirkung gleich stark (“universell”) auf alle beteiligten Teilchen wirken sollte, zerfallen die untersuchten B-Mesonen (bestehend aus d- und Anti-s-Quark) häufiger als erwartet in Elektronen als in Myonen, sowohl beim Zerfall in ein K-Meson (bestehend aus d-Quark und Anti-s-Quark), als auch in das schwerere K*-Meson (einer “Anregung” mit gleichem Quark-Inhalt, aber größerer Masse und anderem Spin (Eigendrehimpuls)). Man spricht deshalb auch von einer möglichen Entdeckung der “Lepton-Nichtuniversalität”.

Heißt das, neue Physik ist gefunden?

Nein, so einfach ist es nicht. Ein Problem ist, dass die Quantenphysik, auf der Teilchentheorien wie das Standardmodell aufbauen, nur Wahrscheinlichkeitsaussagen über die Häufigkeit von Prozessen macht. Diese Vorhersagen müssen dann mit den experimentellen Daten verglichen werden. Abweichungen von der Vorhersage misst man dann in Standardabweichungen. So weichen die oben genannten Verhältnisse von Zerfallsraten in K- und K*-Mesonen 2.6 bzw. 2.5 Standardabweichungen vom Standardmodell ab. Alle Anomalien zusammen entsprechen einer Abweichung von 4-5 Standardabweichungen. Bei 2 Standardabweichungen ist das Standardmodell mit ca. 95% Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen, bei 3 bzw. 4 Standardabweichungen bereits mit 99.73 % bzw. 99.99 %. Allerdings muss man diese Zahlen in Relation betrachten zu der großen Zahl an “Suchen”, also den vielen Analysen, die die Daten der LHC-Experimente nach neuer Physik durchforsten. Je öfter man sucht, desto größer ist natürlich die Chance, auf einen statistischen Ausreißer zu stoßen. Deshalb sprechen Teilchenphysiker erst ab 5 Standardabweichungen, entsprechend einer Wahrscheinlichkeit von 99.9999%, von einer “Entdeckung”.

Die Standardmodellvorhersage (kleiner blauer Kreis) weicht bei Flavor-Observablen stark von der Messung (roter Kreis) ab, insbesondere, wenn man Messungen in mehreren Prozessen kombiniert (Quelle: Marianne Fontana, Vortrag am 13.9.2017 am CERN)

Woher wissen die Physiker, was sie gefunden haben?

Um herauszufinden, welche neuen Teilchen den beobachteten Prozess hervorgerufen haben könnten, bedienen sich Physiker sogenannter Feynmandiagramme – grafischer Darstellungen einer mathematischen Reihenentwicklung der Wechselwirkungen von Quantenfeldern. Bei schwachen Wechselwirkungen kann man davon ausgehen, dass weniger Wechselwirkungen wahrscheinlicher sind als mehr Wechselwirkungen, und deshalb die möglichen Prozesse nach der Zahl der Wechselwirkungen geordnet bis zur gewünschten Genauigkeit abarbeiten. Das funktioniert bei starken Wechselwirkungen allerdings nicht mehr, genau das ist die Ursache des oben erwähnten Problems bei der Berechnung von Prozessen mit Quarks und Gluonen (den Feldquanten der starken Kraft).

Intuitiv können Feynmandiagramme als die Beschreibung von Teilchen-Kollisionen, -Produktionen und -Zerfällen verstanden werden, auch wenn dieses einfache Bild manchmal irreführend sein kann. Außerdem lassen sich die einzelnen Diagramme einfach mathematisch berechnen. Typischerweise ist ein Prozess umso wahrscheinlicher, je größer die Kopplungsstärke der Wechselwirkungen ist und je mehr Möglichkeiten es dafür gibt, wie der Endzustand entstehen kann. Unwahrscheinlicher wird ein Prozess dagegen dadurch, dass im Zwischenzustand schwere Teilchen auftreten können, deren Masse die verfügbare Energie übersteigt.

Welche Teilchen man in Feynmandiagrammen einbauen kann, folgt aus der Relativitätstheorie und der Ladungserhaltung: Was reinfließt, muss auch wieder rausfließen, genau wie bei der Knotenregel der Elektrizitätslehre – nur dass hier außer der elektrischen auch die Ladungen der schwachen und starken Kräfte berücksichtigt werden müssen. Damit wird der Modellbau in der Teilchenphysik zu einem Puzzlespiel – mit genauen Regeln, welche Puzzlestücke aneinander gereiht werden können. Bei den bei LHCb untersuchten Prozessen kann es sich z.B. – wie Gudrun Hiller und Martin Schmaltz von der Boston University 2014 vorschlugen [5] – um sogenannte Leptoquarks handeln: Teilchen, die Quarks in Leptonen umwandeln können, ein Prozess der im Standardmodell (mit Ausnahme von exotischen Vorgängen im frühen Universum) strikt verboten ist. Eine andere Möglichkeit wären Bosonen, die die Feldquanten einer neuen, der schwachen Wechselwirkung ähnelnden Kraft sind. In Analogie an die im Standardmodell von einem Z-Boson vermittelten schwachen Kräfte sprechen Teilchenphysiker hier von einem Z’ [6].

Feynmandiagramme: Das zu lösende Puzzle…

Wie kommen Teilchenphysiker auf solche Modelle? Handelt es sich hier um freies Fabulieren?

Nein, tatsächlich kann man die erlaubten Möglichkeiten systematisch auflisten: Für Leptoquarks hatten z.B. bereits 1987 Wilfried Buchmüller (damals Uni Hannover, heute am DESY), Reinhold Rückl (damals am DESY, später habe ich mich bei ihm an der Uni Würzburg habilitiert) und Daniel Wyler (damals an ETH, heute an der Uni Zürich) die möglichen Leptoquark-Wechselwirkungen klassifizert [7].

…und mögliche Lösungen: Pfeile zeigen bei Teilchen in und bei Antiteilchen entgegen der Flugrichtung. l+ und l meint hier Antileptonen und Leptonen und kann sowohl Elektronen als auch Myonen bezeichnen. (Quelle: LHCb-Collaboration)

Die Regeln, die dabei zu befolgen sind, sind wie oben erwähnt die Ladungserhaltung (sowohl die der normalen, elektromagnetischen Ladung wie auch die der Ladungen der starken und schwachen Wechselwirkungen) sowie das Regelwerk der Relativitätstheorie. Nach diesen Regeln konstruieren die Teilchentheoretiker dann die erlaubten Feynmandiagramme, mit deren Hilfe sie ausrechnen können, wie oft der beschriebene Prozess stattfindet. Schließlich wird die Häufigkeit mit den experimentellen Daten aus dem LHCb-Experiment verglichen und freie Parameter (z.B. die Kopplungsstärke der Leptoquarks an bekannte Teilchen) werden bestimmt. Zuletzt wird geprüft, ob diese Parameter nicht andere Prozesse verursachen, die bereits bekannten Messungen widersprechen.

Woher könnten die Leptoquarks kommen? Von Heisenberg zu den GUTs

Leptoquarks wären insofern attraktiv, da sie sich gut in ein zentrales Leitmotiv der Teilchenphysik einfügen, der Suche nach umfassenden Symmetrien. Die Grundidee geht dabei auf Werner Heisenberg, einen der Begründer der Quantenphysik zurück, der im Fernsehen ab und zu gezeigt wird, wie er einer Gruppe von Nazi-Militärs erklärt, eine London zerstörende Atombombe habe in etwa die Größe einer Ananas – meist ohne seine darauf folgende Erklärung, eine Herstellung sei unter den gegebenen Umständen in Deutschland eine Unmöglichkeit. Bereits in seiner Jugend war Heisenberg fasziniert von der Naturphilosophie Platons [8]:

“Im Frühjahr 1919 herrschten in München ziemlich chaotische Zustände. Auf den Straßen wurde geschossen, ohne daß man genau wußte, wer die Kämpfenden waren. Die Regierungsgewalt wechselte zwischen Personen und Institutionen, die man kaum dem Namen nach kannte. Plünderungen und Raub, von denen einer mich einmal selbst betroffen hatte, ließen den Ausdruck ‘Räterepublik’ als Synonym für rechtlose Zustände erscheinen. Als sich dann schließlich außerhalb Münchens eine neue bayerische Regierung gebildet hatte, die ihre Truppen zur Eroberung von München einsetzte, hofften wir auf Wiederherstellung geordneter Verhältnisse… Um mich allmählich wieder auf die Schule vorzubereiten, zog ich mich dann mit unserer griechischen Schulausgabe der Platonischen Dialoge auf das Dach des Priesterseminars zurück. Dort konnte ich, in der Dachrinne liegend und von den ersten Sonnenstrahlen durchwärmt, in aller Ruhe meinen Studien nachgehen und zwischendurch das erwachende Leben auf der Ludwigstraße beobachten. An einem solchen Morgen, als das Licht der aufgehenden Sonne schon das Universitätsgebäude und den Brunnen davor überflutete, geriet ich an den Dialog ,Timaios‘, und zwar an jene Stelle, wo über die kleinsten Teile der Materie gesprochen wird… Ich versuchte, irgendwelche Denkansätze zu finden, von denen aus die Spekulationen Platos mir verständlicher werden könnten. Aber ich wußte nichts zu entdecken, was auch nur von ferne den Weg dahin gewiesen hätte. Dabei ging für mich von der Vorstellung, daß man bei den kleinsten Teilen der Materie schließlich auf mathematische Formen stoßen sollte, eine gewisse Faszination aus”

In der von Heisenberg beschriebenen Stelle in Platons Timaios-Dialog heißt es [9]:

“Da nämlich die Elemente Wasser, Feuer, Erde und Luft ineinander übergehen können, so ist es unsinnig anzunehmen, dass sie wirklich sind, vielmehr ist [existiert] ein Urstoff , der nur in einer seiner Beschaffenheiten eines der Urelemente ist.”

Und genau diese Vorstellung hat Heisenberg später auf die Teilchenphysik angewandt [2]: Als er 1932 feststellte, dass Proton und Neutron durch die schwache Kraft ineinander umgewandelt werden können, postulierte er, dass sie zwei Zustände eines “Dubletts” seien. Die Weiterentwicklung  dieser Vorstellung führte schließlich in den 1970ern zur Ausarbeitung der Grand Unified Theories, hypothetischer und ästhetisch ansprechender Erweiterungen des Standardmodells, in denen alle bekannten Fermionen einer Generation als Zustände eines (z.B. in der SO(10)-GUT von Harald Fritzsch und Peter Minkowski) oder zweier (wie in der SU(5)-GUT von Howard Georgi und Sheldon Glashow) “Multipletts” genannter Urelemente verstanden werden. Und wie bei Platon Wasser, Feuer, Erde und Luft und bei Heisenberg Proton und Neutron können in GUT-Theorien die Standardmodell-Teilchen ineinander umgewandelt werden.

Grand Unified Theories sagen folglich Übergänge zwischen Quarks und Leptonen vorher, die im Standardmodell verboten sind, vermittelt durch neuartige Teilchen, die oben genannten Leptoquarks. Außerdem treten weitere neue Kräfte auf, die den im Standardmodell auftretenden schwachen Kräften ähneln können, z.B. das oben genannte Z’.

Bestätigt eine mögliche Leptoquark- oder Z’-Entdeckung also die GUTs? 

Leider nicht wirklich. Denn die aus GUTs erwarteten Massen von Leptoquarks und anderen Bosonen sind typischerweise sehr viel höher als dass sie gegenwärtig am LHC getestet werden könnten. Sollten also tatsächlich Leptoquarks oder ein Z’ entdeckt werden, müssten neue und weniger attraktive Modelle entwickelt werden. um sie unterzubringen. Gudrun Hiller spricht dann auch schon von einer “neuen Ära des Bottom-Up-Model-Building” – also eines Modellbaus, der von den experimentellen Daten ausgeht und deren Strukturen erklärt, anstatt eine ästhetisch attraktive Symmetrie zu postulieren, und von diesem Standpunkt aus das Beobachtete zu erklären. Tatsächlich sind die Leptoquarks aus dem Buchmüller-Rückl-Wyler-Baukasten dabei ein so flexibles Instrument, dass man bereits Ende der 1990er meinte, sie am DESY-Beschleuniger HERA gefunden zu haben. Dort entpuppten sie sich dann allerdings als statistische Fluktuation.

Schließlich hat Alexander Lenz, der 2010 an der TU Dortmund ein Vertretungsprofessur innehatte und inzwischen an der Durham University in England forscht, zusammen mit Luca Di Luzio und Matthew Kirk eine weitere Abweichung vom Standardmodell entdeckt, und zwar in der Massendifferenz der aus b- und Anti-s-Quark bzw. s- und Anti-b-Quark bestehenden Mesonen. Neue Standardmodellrechnungen widersprechen dort den experimentellen Daten. Leider geht diese Abweichung in genau die umgekehrte Richtung, wie man es erwarten würde, wenn Leptoquarks oder Z’-Bosonen beitragen würden. Was wiederum deren Möglichkeiten, die anderen Flavor-Anomalien zu erklären, beschränkt. “Eine Beschränkung sie alle zu töten?” hat Lenz dann auch sein Paper genannt [10], in offensichtlicher Anlehnung an das Fantasy-Drama “Der Herr der Ringe”. Eine globale Analyse aller von Leptoquarks oder Z’-Bosonen beeinflusster Prozesse wäre also ein wichtiger nächster Schritt.

Warum es trotzdem spannend ist

Andererseits gilt, was Avelino Vicente von der Universität Valencia, ein weiterer Forscher, der sich mit den Flavor-Anomalien befasst und in dessen Promotions-Kommittee ich saß, erklärt: “Wenn ich gefragt würde, wie sich neue Physik zeigen sollte, würde ich sagen, als kleine Anomalien in vielen verschiedenen Prozessen, deren Wahrscheinlichkeit stetig anwächst – genau wie es jetzt bei den Flavoranomalien passiert.”

Außerdem könnte eine Entdeckung von Leptoquarks mit einer Reihe anderer offener Fragen der Teilchenphysik in Beziehung stehen. So ist z.B. bisher nicht geklärt, wie Neutrinos ihre Massen erhalten und warum diese so viel kleiner sind als die der anderen Standardmodell-Teilchen. Die Entdeckung der Neutrinomassen gilt deshalb auch als erster direkter experimenteller Hinweis für neue Physik jenseits des Standardmodells [2]. Und auch dafür könnten Leptoquarks verantwortlich sein – unter anderem jenes, das auch die anderen Flavoranomalien erklären würde, wie Erik Schumacher 2015 im Rahmen seiner von mit betreuten Doktorarbeit gezeigt hat. Dabei baute Schumacher auf Vorarbeiten von Martin Hirsch auf – Avelino Vicentes Doktorvater, der auch mich während meiner Diplomarbeit und Doktorarbeit in Heidelberg betreut hatte.

Die gleichen Leptoquarks, die die Flavor-Anomalien erklären, können auch zur Erzeugung von Neutrinomassen beitragen (Quelle: arXiv:1510.08757)

In weiteren Arbeiten zusammen mit Frank Deppisch, Julia Harz, Wei-Chih Huang und mir hatte Hirsch außerdem gezeigt, dass die Verwandlung von Quarks in Leptonen, wie sie z.B. durch Leptoquarks stattfinden kann, zu einem Verschwinden des Überschusses von Materie zu Antimaterie (oder genauer Baryonen – das sind 3-Quark-Zustände – zu Antibaryonen) im Universum führen kann [11]. Womit fraglich würde, wie sich jemals Galaxien, Sterne, Planeten und Leben hätte bilden können. Ein Ausweg aus diesem Dilemma könnte wiederum die Wechselwirkung mit der dunklen Materie liefern, wie erst kürzlich Mads T. Frandsen, Claudia Hagedorn, Wei-Chih Huang, Emiliano Molinaro, und ich zeigen konnten [12].

Das Ganze demonstriert wieder einmal, wie eng die verschiedenen Forschungsfelder der Teilchenphysik und Kosmologie gegenwärtig verknüpft sind. Und wie grundlegend eine Entdeckung in einem Bereich gleich viele andere Bereiche mit beeinflusst. Das gilt außer für Neutrinos – wieder einmal Thema in der April-Ausgabe des Spektrums [13] – auch für die sogenannte CP-Verletzung, die Unterschiede in der Wechselwirkung von Teilchen und Antiteilchen beschreibt, ebenfalls am LHCb-Experiment untersucht wird und über die Ulrich Uwer und Johannes Albrecht – ein weiterer Dortmunder – im März-Spektrum berichten werden [14]. “Grenzfragen der Teilchenphysik” heißt die aktuelle Artikelserie, und nicht nur sie zeigt, dass es spannend bleibt.

Während es also sicher noch zu früh ist, angesichts der Anomalien im Flavorsektor in Euphorie zu verfallen und von Entdeckungen zu sprechen, ist eine gespannte Aufmerksamkeit auf die neuen experimentellen Ergebnisse sicherlich gerechtfertigt. Nicht zuletzt zeigt sie, dass sich die Teilchenphysiker ihre Neugier und ihre Fähigkeit, sich zu wundern, bewahrt haben.

Denn: Die Welt ist wunderbar!

[1] Guy Wilkinson: Schöne neue Teilchenwelt, Spektrum der Wissenschaft, Februar 2018

[2] Heinrich Päs: Neutrinos – Die perfekte Welle: Vom Nobelpreis in die Welt von Higgs, Extradimensionen und Zeitreisen, Springer, Heidelberg 2016.

[3] Andreas Crivellin: New Physics in Flavour Observables, arXiv:1706.00929 [hep-ph].

[4]  Gudrun Hiller und Frank Krüger: More model-independent analysis of b→s processes, Physical Review D 69 (2004) 074020.

[5]  Gudrun Hiller and Martin Schmaltz: RK and future b -> sll physics beyond the standard model opportunities, Physical Review D 90 (2014) 054014.

[6] W. Altmannshofer, S. Gori, M. Pospelov, and I. Yavin: Dressing LμLτ in Color, Physical  Review D 89, 095033 (2014).

[7] Wilfried Buchmüller, Reinhold Rückl and Daniel Wyler: Leptoquarks in Lepton – Quark Collisions, Physics Letters B 191, 442 (1987); Erratum: [Physics Letters B 448, 320 (1999)].

[8] Werner Heisenberg: Der Teil und das Ganze, Piper,  München 1969.

[9] Platon: Philebos/Timaios/Kritias, Insel Verlag, Frankfurt am Main 1991.

[10] Luca Di Luzio, Matthew Kirk and Alexander Lenz: One constraint to kill them all?, arXiv:1712.06572 [hep-ph].

[11] Heinrich Päs and Erik Schumacher: Common origin of RK and neutrino masses, Physical Review D 92 (2015) 114025 [arXiv:1510.08757 [hep-ph]].

[12] F.F. Deppisch, J. Harz, M. Hirsch, W.C. Huang and H.Päs: Falsifying High-Scale Baryogenesis with Neutrinoless Double Beta Decay and Lepton Flavor Violation, Physical Review D 92 (2015) 036005 [arXiv:1503.04825 [hep-ph]].

[12] M.T. Frandsen, C. Hagedorn, W.C. Huang, E. Molinaro and H. Päs: Asymmetric dark matter, baryon asymmetry and lepton number violation, arXiv:1801.09314 [hep-ph].

[13] Clara Moskowitz: Das Neutrino-Puzzle, Spektrum der Wissenschaft April 2018.

[14] Ulrich Uwer und Johannes Albrecht: Teilchen, Antiteilchen und der kleine Unterschied, Spektrum der Wissenschaft März 2018.

Heinrich Päs ist Professor für Theoretische Physik an der TU Dortmund und forscht über Neutrinos, Teilchenphysik und Kosmologie. Er hat sich aber auch schon als Zeitmaschinenentwickler und Philosoph versucht, ein Buch ("Neutrinos - Die perfekte Welle") geschrieben und mehrere Science-Fiction Romane inspiriert. Er war Postdoc in Hawaii. Wenn er nicht forscht oder liest ist er gern in der Natur, beim Segeln, Surfen, Wandern, Skifahren oder Laufen. Und noch mehr als die Welt liebt er seine Frau Sara.

17 Kommentare Schreibe einen Kommentar

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    Viel Spaß und lebhafte Diskussionen wünscht Heinrich Päs!

  2. Der High-Luminosity LHC könnte hier vielleicht helfen und die Anomalien von 2.6 bzw. 2.5 Sigma auf zusammen über 5 Sigma vergrössern oder aber der High-Luminosity LHC könnte zeigen, dass es sich hier nur um statistische Fluktuationen handelt. Unter The future of the LHC takes shape liest man zum High-Luminosity LHC: Dieser Ausbau soll 2026 in Betrieb gehen und die Anzahl der Kollisionen um den Faktor fünf bis zehn erhöhen. Die Physiker werden diese erhöhte Anzahl von Kollisionen voll ausnutzen können, um die am LHC entdeckten Phänomene genauer zu untersuchen.

    • Danke für den Beitrag. Ja es wird auf jeden Fall spannend bleiben, die Fortschritte am LHC im Auge zu behalten. Was die LHCb-Anomalien betrifft, kann das ganze vermutlich sogar schneller gehen. Jede neue Analyse bereits gesammelter Daten ist da spannend.

  3. Nachdem sie beim LHC Unsummen veblasen müssen sie wenigstens ab und zu irgend etwas finden.
    Oder wenigstens etwas was sich als mögliche Erkenntnis verkaufen läßt.

    • Ich glaube nicht, dass die an den Experimenten beteiligten Wissenschafter einen Erfolgsdruck aufgrund der Baukosten des LHC verspüren. Die Annahme ist komplett absurd.

    • Natürlich wünscht sich so ziemlich jeder Teilchenphysiker sehnsüchtig einen Hinweis auf neue Physik. Und das keineswegs in erster Linie wegen der teuren Experimente, sondern weil daran Arbeit und Lebenszeit, Karrieren und Leidenschaft hängen. Umso beeindruckender finde ich es, wie seriös mögliche Hinweise diskutiert werden. Für mich demonstriert das eindrucksvoll die Integrität unserer experimentell arbeitenden Kollegen sowie die Tatsache, dass Teilchenphysiker eben nicht in erster Linie durch Geld oder Ruhm motiviert sind, sondern vor Allem durch Wissbegierde. Man kann natürlich diskutieren, ob überhaupt vorläufige Ergebnisse der Öffentlichkeit präsentiert werden sollten. Allzu oft stellen die sich dann später ja als Messfehler oder statistische Fluktuationen heraus. Ich denke das ist trotzsem richtig, denn nur so kann die gesamte Teilchenphysik-Community an der Klärung von Anomalien mitarbeiten. Und ähnlich wie man kaum die Faszination, die vom Fussball ausgeht, vermitteln könnte, wenn man nur erfolgreiche Torschüsse zeigen würde, würde man der steuerzahlenden Öffentlichkeir viel von der Faszination Wissenschaft vorenthalten, wenn man nicht den Prozess der Wissensfindung mit seinen Irrungen und Wirrungen teilt.

  4. https://scilogs.spektrum.de/die-natur-der-naturwissenschaft/der-informationsbegriff-in-der-physik/
    Aus “Entropie und Information”, sowie aus “Realität, fundamentales Universum” ist weiterhin hängen geblieben, dass darüber diskutiert wird, wie fundamental Information für Materie, somit auch der Teilchenphysik, sein kann. Diese Spekulation findet sich in Ihren jetzigen Ausführungen zur “neuen Physik”/Teilchenphysik nicht wieder. Ist das zu spekulativ? Wenn man Hinweise zu einer “neuen Kraft” hat, ist das mit Information verbunden oder ist das auszuschliessen?

    • Danke für den Kommentar. Tatsächlich spielt auch hier die Frage, was genau Information und was Materie ist, eine Rolle, wenn auch etwas versteckt: So werden Teilchen als Anregungen von Quantenfeldern verstanden, aber was genau ist ein Quantenfeld? Seine mathematische Beschreibung ist operatorwertig und unterliegt sogenannten Eichfreiheiten. Ist das materiell oder Information? Ist das Feld real oder das Teilchen, oder beides oder keines von beiden? Diese ontologischen Grundfragen im Hintergrund sind weiterhin offen, spielen aber für die konkreten Forschungsergebnisse, die hier beschrieben wurden, keine entscheidende Rolle.

      Ähnlich ist es mit der Idee von Grand Unified Theories (GUTs): Wenn der doch recht materiell empfundende Unterschied zwischen Quark, Elektron und Neutrino auf die Frage zurückgeführt wird, in welchem Zustand sich ein GUT-Multiplett befindet, heißt das letztlich, als materiell empfundende Eigenschaften werden auf Information zurück geführt. Man kann fragen, wie weit man das treiben kann und was am Ende schließlich noch als Materie übrig bleibt. Auch das führt aber über das konkrete Thema hier hinaus. Ich werde ein anderes mal mehr dazu sagen.

      • Übrigens spielen diese Fragen bereits bei Platon eine Rolle. Platon ist ja als Idealist verschrieen, aber im Timaios spricht Platon davon, dass die Elemente dadurch entstehen, dass sich ideale mathematische Formen in ein Medium, die sogenannte „Amme des Werdens“, einprägen. Auch hier wird also diskutiert: Was ist Informationm? Und was ist der materielle Träger dieser Information?

  5. Als ich nach mehreren Wochen Abwesenheit am 2. Februar um 2 Uhr früh nach Hause kam lag das erwähnte Spektrum Heft in meinem Briefkasten. So habe ich “Schöne neue Teilchenwelt” von Guy Wilkinson gelesen. Weil dieser Artikel so anregend war kam keine Müdigkeit auf. Erst gegen 5 Uhr legte ich das Heft wieder weg und schlief auf der Stelle ein.

    Im Laufe der darauf folgenden Woche fragte ich mich mehrmals: Wo ist Päs? Jetzt hoffe ich, dass wir auch im März und April hier ergänzende Beiträge lesen können.

    • Dankesehr! Auf einen Behle-Vergleich kann ich mir ja durchaus etwas einbilden 🙂

      Tatsächlich wollte ich diesen Beitrag schon früher schreiben, aber der Semesterabschluss, die Referenz [12], spannende Forschung mit einem Gast aus China und mein Beitrag zum FQXi-Essay-Contest:
      https://fqxi.org/community/forum/topic/3096
      haben mich etwas auf Trab gehalten. In letzterem knüpfe ich an diesen und vor allem den vorherigen Scilogs-Beitrag an, diskutiere die aufgeworfenen Fragen aber etwas weiter. Zum Thema „Was ist fundamental?“ werde ich mich dann hier auch noch einmal äußern, wenn ich mich durch andere FQXi-Beiträge noch etwas inspirieren lassen konnte.

  6. Ich möchte Sie sehr geehrter Herr Päs, als Insider in „Quantenphysik“ und mit einem Faible für Quantenfelder darum bitten auf folgende Sicht einzugehen, allenfalls zu widerlegen. Es geht um die Verschränkung.

    Technische „Fernwirkungen“ gehörten sozusagen auch zu meiner früheren Arbeit.

    Dass 2 aus der gleichen Quelle stammende Teilchen hinsichtlich ihrer messbaren „Eigenschaften“ sich sozusagen „synchron“ verhalten, braucht als Erklärung nicht unbedingt eine (spukhafte) Fernwirkung (durch Kommunikation) die zu Widersprüchen wegen der Lichtgeschwindigkeit (die theoretisch nicht überboten werden kann) führt.

    Wirklich sensationell, womöglich spukhaft wäre für mich eine Fernwirkung nur dann, wenn die durch den Einfluss der Messung verloren gegangene Verschränkung oder Synchronität nach einiger Zeit wieder hergestellt würde, was meines Wissens nicht der Fall ist.

    Für mich wäre es sogar denkmöglich, dass „Schwingungen“ irgendeiner Art (Quantenfelder??), eine Synchronisierung der Teilchen fördern oder bewirken, vergleichbar wie früher Bahnhofuhren gesteuert wurden, also eine Kommunikation zwischen den Teilchen gar nicht notwendig wäre.

    Wegen der „gleiche Quelle“ wäre es keine besondere Sensation, wenn sich die Teilchen vom Ursprung ihrer Existenz an, synchron verhalten.

  7. @Heinrich Päs 16. Februar 2018 @ 12:37
    Zitat: “Tatsächlich spielt auch hier die Frage, was genau Information und was Materie ist, eine Rolle, wenn auch etwas versteckt: So werden Teilchen als Anregungen von Quantenfeldern verstanden, aber was genau ist ein Quantenfeld?”

    Würde man zunächst einmal gedanklich, unabhängig davon was ein Quantenfeld tatsächlich ist, annehmen dass man es mit einem magnetischen Feld zu tun hätte, scheint es aus Sicht der Informatik klarer.

    (An den Enden eines Leiters der im Magnetfeld bewegt wird entsteht eine elektrische Spannung. Dies ist praktisch vollständig mathematisch beschreibbar.)

    Die Informatik strukturiert grundsätzlich in Prozessor – Prozess – Information.
    Nicht nur in Materie – Information.

    Die Teilchen samt der (erforderlichen) “Umgebung” wären der Prozessor. Angeregt wird ein Prozess.
    Information hätte einen beschreibenden Charakter der gesamten Versuchsanordnung, besonders auch die systematische verbale oder mathematische Abbildung der jeweiligen Zustände und deren Veränderung.

    Der Prozess könnte letztlich auf der Ebene einer abstrakten informellen Beschreibung des Geschehens als Simulation “nachvollzogen” werden.

    Obwohl es sich um verschiedene Kategorien handelt können die Komponenten Prozessor – Prozess – Information wechselwirken.

    Sogar ein Prozessor kann mittels von Information gesteuerter Prozesse auf einem anderen Prozessor “emuliert” werden.
    Ein meistens sehr alter Prozessor wird dann emuliert, wenn uralte sehr teure Software genutzt werden soll und die alte Hardware längst verschrottet ist.

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