Die offenen Fragen der Physik

[irony]

[QUOTE=McWire;2476544]Ein Photon kann als unteilbares Quant auch nicht zerfallen. Ein Photon ist ja nicht einmal ein Partikel im klassischen Sinne.

Das ist halt sehr philosophisch, wie man das sieht, was da passiert.

Zerfall ist zunächst einmal auch nur eine Redensart, mit der man sagt, dass Partikel produziert werden, die vorher nicht da waren.

Also z.B. gamma --> e- + e+

Man findet aber auch

Zerfall von Photonen beobachtet

Ergebnisse entsprechen exakt den Vorhersagen der Quantenfeldtheorie

Ein russisches Forscherteam des Budker-Instituts für Kernphysik (BINP) in Nowosibirsk hat erstmals den Zerfall eines hochenergetischen Photons in zwei niederenergetische beobachtet. Der extrem seltene Zerfall kann in den elektrischen Feldern von Atomen stattfinden und wurde bereits vor Jahrzehnten von der Quantenfeldtheorie vorhergesagt.

Der Zerfall der Gammaphotonen läuft über einen Zwischenschritt ab, bei dem ein Photon zunächst in ein virtuelles Elektron-Positron Paar zerfällt.

Das was da passiert ist einfach eine Umwandlung von Energie in Masse.

Wenn man jetzt noch die Begriffe Energie und Masse definieren könnte ... .

Durch die Interaktion zweier Photonen kann Masse in Form von Materie und Antimaterie entstehen. Symmetrischer Umkehrprozess zu einer Annihiliation.

Bei der Annihilation handelt es sich um einen Prozess, bei dem zwei oder drei Photonen entstehen. Bei der Paarbildung eines Positron/Elektronpaares unterscheidet man den Prozess Photon-Kern, wo das Photon mindestens 1.022 MeV haben muss von dem Photon-Photon-Prozess, wo beide Photonen 0.511 MeV haben müssen, oder zusammen 1.022 MeV, oder wie auch immer.

Photon-nucleus pair production can only occur if the photons have an energy exceeding twice the rest energy (mec2) of an electron (1.022 MeV), photon-photon pair production may occur at 511 KeV;

So oder so aber entstehen zwei Fermionen mehr oder weniger aus dem "Nichts". Masse und Ladung werden aus Energie erzeugt, der Spin des Photons teilt sich auf Elektron und Positron auf. Das Problem ist der Impuls, der auch erhalten bleiben muss.

[McWire]

Ein bisschen muss man auch aufpassen, was die Unterscheidung in virtuelle und reale Teilchen angeht:

Das eine (Erzeugung von W als reales Teilchen) geht wohl nicht ohne sehr viel Energie, während das W als virtuelles Austauschteilchen schon leichter zustande kommt.

Es entsteht dabei in jedem Fall ein reales Myon, was eine Ruhemasse von 105,7 MeV/c² besitzt. Somit müsste das Elektron immer noch auf die 212-fache Ruhemasse angeregt werden, bevor es sich über ein (W-)-Austauschteilen in ein Myon umwandeln kann.

Von alleine spontan tut es das nicht, wegen der Energie-/Masseerhaltung.


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
McWire schrieb nach 3 Minuten und 7 Sekunden:

Ich glaube, die Energie allein reicht nicht. Z.B. zerfällt ein Photon mit einigen MeV Energie so weit ich weiß auch nicht völlig spontan in ein Elektron/Positron-Paar, sondern nur wenn es das elektrische Feld eines Atoms sieht, oder so ähnlich.

Wikipedia sagt dazu

Das ist ja auch etwas Interessantes: Wie aus einem Photon plötzlich zwei Fermionen mit Masse und Ladung werden.

Ein Photon kann als unteilbares Quant auch nicht zerfallen. Ein Photon ist ja nicht einmal ein Partikel im klassischen Sinne.

Das was da passiert ist einfach eine Umwandlung von Energie in Masse.

Durch die Interaktion zweier Photonen kann Masse in Form von Materie und Antimaterie entstehen. Symmetrischer Umkehrprozess zu einer Annihiliation.

[irony]

Ein Elektron hat eine Ruhemasse von 0,51 MeV/c² .

Somit musst du das Elektron erst auf die 160.000-fache Ruheenergie anregen (beschleunigen, wie auch immer), bevor es ein (W-)-Boson freisetzen kann.

Ich glaube, die Energie allein reicht nicht. Z.B. zerfällt ein Photon mit einigen MeV Energie so weit ich weiß auch nicht völlig spontan in ein Elektron/Positron-Paar, sondern nur wenn es das elektrische Feld eines Atomkerns sieht, oder so ähnlich.

Wikipedia sagt dazu

Dass der Prozess nur in der Nähe eines Kerns erfolgen kann, kann man sich anhand folgenden Gedankenexperiments verdeutlichen. Transformiert man sich nach der Paarbildung in das Ruhesystem der zwei entstandenen Teilchen, so haben diese dort zusammengenommen einen Impuls von Null. Ein Photon hat in jedem Bezugssystem aber dieselbe Vakuumlichtgeschwindigkeit und somit auch in diesem System einen Impuls - dies widerspricht der Aussage, dass Positron und Elektron in diesem System keinen Impuls besitzen.

In der genauen Energiebilanz muss noch der Rückstoß des Atomkerns berücksichtigt werden, in dessen Feld die Paarbildung abläuft.

Das ist ja auch etwas Interessantes: Wie aus einem Photon plötzlich zwei Fermionen mit Masse und Ladung werden.

[McWire]

Dazu reicht dann aber die kinetische Energie, die der Ruhemasse des W-, also etwa 80 Gev/c2 entspricht. Interessant ist dabei die Frage, ob man nicht durch eine Lorentztransformation immer ein Bezugssystem finden kann, in dem das Elektron diese kinetische Energie besitzt.

Wikipedia sagt
Mehr steht da zu leider nicht.

Ein Elektron hat eine Ruhemasse von 0,51 MeV/c² .

Somit musst du das Elektron erst auf die 160.000-fache Ruheenergie anregen (beschleunigen, wie auch immer), bevor es ein (W-)-Boson freisetzen kann.

[irony]

So, und jetzt noch mal Provozierendes.

A) Ich sage mal, dass W+/W-/Z0 und das Photon ein und dasselbe Teilchen in vier verschiedenen Zuständen ist.

B) Ebenso sind Neutrino, Elektron, Myon usw. nur ein Teilchen in verschiedenen Zuständen.

Mit den Teilchen aus A) können die Teilchen in B) ineinander umgewandelt bzw. sogar aus ihnen erzeugt werden.

Etwas komplizierter ist es mit den Quarks und Gluonen, aber interessanter Weise gibt es keine freien Quarks, die aber dennoch der elektromagnetischen und schwachen WW unterliegen, also mit dem/den Teilchen aus A) verändert und sogar (zumindest paarweise) erzeugt werden können.


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
transportermalfunction schrieb nach 6 Minuten und 38 Sekunden:

Das Elektron muss vor einem solchen Zerfall also erst energetisch angeregt werden.

Dazu reicht dann aber die kinetische Energie, die der Ruhemasse des W-, also etwa 80 Gev/c2 entspricht. Interessant ist dabei die Frage, ob man nicht durch eine Lorentztransformation immer ein Bezugssystem finden kann, in dem das Elektron diese kinetische Energie besitzt.

Wikipedia sagt

Beispielsweise kann sich das Elektron (ein negativ geladenes Lepton) durch Emission eines W--Bosons in das zugehörige, elektrisch neutrale Elektron-Neutrino umwandeln.

Mehr steht da zu leider nicht.


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
transportermalfunction schrieb nach 2 Minuten und 19 Sekunden:

Ein bisschen muss man auch aufpassen, was die Unterscheidung in virtuelle und reale Teilchen angeht:

Da das W-Boson mit seiner rund 80-fachen Protonenmasse recht schwer ist, ist seine Reichweite und damit die der schwachen Wechselwirkung sehr kurz (zirka 10−18 m). Zu vielen Prozessen trägt es nur als virtuelles Teilchen bei, in Form von Schleifen in Feynmandiagrammen.

Als reales Teilchen kann das W-Boson an Teilchenbeschleunigern durch Paarbildung erzeugt werden, z. B. über die Reaktion e+ e− → W+ W−.

Das eine (Erzeugung von W als reales Teilchen) geht wohl nicht ohne sehr viel Energie, während das W als virtuelles Austauschteilchen schon leichter zustande kommt.

[McWire]

Von einem Photon habe ich doch gar nichts geschrieben.

Elektron (L=1) --> Neutrino (L=1) + W- (L=0) --> Neutrino (L=1) + Myon (L=1) + Anti-Neutrino (L= -1)

Die Leptonzahl bleibt hier doch erhalten, das Anti-Neutrino hat L= -1.

Ein Elektron zerfällt nicht spontan auf diese Art und Weise, da es die Energie- und Masserhaltung verletzen würde.

Das Elektron muss vor einem solchen Zerfall also erst energetisch angeregt werden.

[irony]

Wobei deine Rechnung ein Fehler enthält:

Photon + Elektron -> Neutrino + W-

Von einem Photon habe ich doch gar nichts geschrieben.

Elektron (L=1) --> Neutrino (L=1) + W- (L=0) --> Neutrino (L=1) + Myon (L=1) + Anti-Neutrino (L= -1)

Die Leptonzahl bleibt hier doch erhalten, das Anti-Neutrino hat L= -1.

[McWire]

Ich glaube, das war aber ein komplizierterer Vorgang als du ihn beschreibst. Also etwa in der Form, dass das Elektron ein W- abstrahlt, zu einem Neutrino wird, und das abgestrahlte W- dann in ein Myon und ein Neutrino zerfällt.

Dabei wandelt sich aber nicht das Elektron in ein Myon um, sondern das W- zerfällt entsprechend.

Hm. Man könnte aber auch argumentieren, dass ein Elektron (e-) in Wirklichkeit eine Art "W-" ist, das zwei Neutrinos enthält, und dieses "W-/e-" zuerst ein Neutrino abstrahlt und dann als instabiles Teilchen weiter zerfällt.

Wobei deine Rechnung ein Fehler enthält:

Photon + Elektron -> Neutrino + W-
W- -> Myon + Antineutrino (Erhaltung der Leptonzahl)

[irony]

Ich frage mich, ob nicht auch Elektron und Neutrino im Grunde das selbe Teilchen in zwei verschiedenen Zuständen sind. Offenbar ist Ladung immer an Masse gekoppelt, und ein Neutrino hat somit beides gegenüber dem Elektron verloren.

Offenbar ist aber die Masse das eigentliche Asymmetrie erzeugende Element, das verhindert, Elektronen oszillieren, also Elektronen sich in Myonen und diese wieder zurückverwandeln usw.

Ladung hingegen ist etwas Hochsymmetrisches, da nicht nur Elektron und Myon exakt gleiche Ladung haben, sondern sogar das aus drei Teilchen zusammengesetzte Proton dem Betrag nach exakt die gleiche Ladung aufweist, aber eine völlig verschiedene Masse hat.

Möglicherweise gibt es überhaupt nur zwei echte fermionische Elementarteilchen in verschiedenen Zuständen: Das Quark, das Lepton (= Elektron/Myon/Neutrino, alles eins). Hinzu kommen noch Austauschteilchen wie das Photon und W+/W-/Z0, wobei interessanter Weise ein Photon auch in zwei Fermionen zerfallen kann, also z.B. Elektron-Positron-Paare (wo kommen die her?)

Irgendwo jenseits des Standardmodells liegt die Wahrheit. Wirklich elementar (fundamental verschieden, nicht ineinander umwandelbar) sind vermutlich weniger als fünf Teilchen.


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
transportermalfunction schrieb nach 8 Minuten und 21 Sekunden:

Man kann aber durch Energiezufuhr ein Elektron soweit anregen, dass es ein Myon bildet.

Ich glaube, das war aber ein komplizierterer Vorgang als du ihn beschreibst. Also etwa in der Form, dass das Elektron ein W- abstrahlt, zu einem Neutrino wird, und das abgestrahlte W- dann in ein Myon und ein Neutrino zerfällt.

Dabei wandelt sich aber nicht das Elektron in ein Myon um, sondern das W- zerfällt entsprechend.

Hm. Man könnte aber auch argumentieren, dass ein Elektron (e-) in Wirklichkeit eine Art "W-" ist, das zwei Neutrinos enthält, und dieses "W-/e-" zuerst ein Neutrino abstrahlt und dann als instabiles Teilchen weiter zerfällt.

[McWire]

Ich glaube nicht, dass man ein Elektron in ein Myon umwandeln kann. Myonen können sich in Elektronen umwandeln, wobei auch zwei Neutrinos entstehen.

Beide Prozesse sind möglich, nur das ein Prozess (Elektron->Myon) endotherm und ein Prozess (Myon->Elektron) exotherm ist, weil ein Myon eine größere Masse und damit einen größeren Energieinhalt hat.

Man kann aber durch Energiezufuhr ein Elektron soweit anregen, dass es ein Myon bildet.

Dass es drei verschiedene Neutrinos gibt, die sich in einander umwandeln, was heißt das? Das heißt doch offenbar nur, dass ein und dasselbe Neutrino jeweils nur in einem anderen Anfangszustand erzeugt wird.

Das ist eine mögliche Interpretation.

Wie das denn?

Wenn die Leptonenzahl keine Erhaltungsgröße ist, kann man Masse und elektrische Ladung zwischen Hadronen und Leptonen verlustfrei transferieren und damit einen elektrischen Strom erzeugen.

Beispiel:
Anlage A: Neutron -> Proton + Elektron (+Antineutrino)

Elektron fließt von A nach B

Anlage B: Elektron + Proton -> Neutron (+ Neutrino)

Diese Rechnung funktioniert allerdings in der Realität nicht, weil durch Abspaltung eines Neutrinos ein Energieverlust entsteht.
d.h. um ein Proton und ein Elektron zu einem Neutron zu verschmelzen, muss man Energie aufwenden.

Würde kein Neutrino freigesetzt, würde dieser Prozess auch spontan erfolgen, ergo könnte man auf diese Art und Weise elektrische Energie abgreifen.

Es gibt Hinweise auf einen neutrinolosen doppelten Betazerfall. Dies würde bedeuten, dass entweder die Erhaltung der Leptonenzahl verletzt oder das Neutrino sein eigenes Antiteilchen wäre.

Da dürfte kein oder dazwischen stehen, sondern es müsste ein und stehen. Wenn das Neutrino sein eigenes Antiteilchen wäre, würde der Beta-Zerfall auf jeden Fall die Leptonenzahl verletzen.

[irony]

Es gibt drei verschiedene Neutrinos, nämlich zu jeder Lepton-Generation (Elektron, Myon, Tauon) eines. Diese können sich aber ineinander umwandeln, genauso wie man ein Elektron in ein Myon oder Tauon umwandeln kann.

Ich glaube nicht, dass man ein Elektron in ein Myon umwandeln kann. Myonen können sich in Elektronen umwandeln, wobei auch zwei Neutrinos entstehen.

Dass es drei verschiedene Neutrinos gibt, die sich in einander umwandeln, was heißt das? Das heißt doch offenbar nur, dass ein und dasselbe Neutrino jeweils nur in einem anderen Anfangszustand erzeugt wird.

Es wäre schön, wenn sich herausstellen würde, dass die Leptonenzahl keine Erhaltungsgröße ist, weil man dann ein Perpetum Mobile bauen könnte.

Wie das denn?

Hier nochmal was aus Wikipedia:

Es gibt Hinweise auf einen neutrinolosen doppelten Betazerfall. Dies würde bedeuten, dass entweder die Erhaltung der Leptonenzahl verletzt oder das Neutrino sein eigenes Antiteilchen wäre.

Ich denke, dass das Neutrino so eine Art "fermionisches Photon" ist, auch wenn das eigentliche neutrale Austauschteilchen der schwachen WW das Z0-Boson ist. Aber das Neutrino übernimmt bei schwachen WW viele Aufgaben, die das Photon bei elektromagnetischen WW hat.

Offenbar ist es auch fast masselos und fast lichtschnell, wichtig für Impuls- und Energieerhaltung, trägt Spins weg, oszilliert mit einer Frequenz usw.

[McWire]

Ja, und was bedeutet das? Offenbar doch, dass es nur ein Neutrino in drei Erscheinungsformen gibt.

Es gibt drei verschiedene Neutrinos, nämlich zu jeder Lepton-Generation (Elektron, Myon, Tauon) eines. Diese können sich aber ineinander umwandeln, genauso wie man ein Elektron in ein Myon oder Tauon umwandeln kann. Nur bei den Neutrinos geschieht dies nach den aktuellen Theorien spontan. Und den Grund dafür kennt man nicht.

Oszillieren diese Neutrinos auch, oder nur die von der Sonne?

Alle Neutrinos oszillieren, wenn auch die von der Sonne oszillieren. Die Oszillation ist aber nicht bewiesen, sie wird nur vermutet, da die detektierte Neutrinozahl auf der Erde geringer ist als sie theoretisch sein sollte, was sich dadurch erklären ließe, dass sich die Elektron-Neutrinos in die anderen beiden Formen umwandeln und diese weniger stark mit Materie interagieren.

Und dass ein Photon kein Neutrino ist, weiß ich. Es ist aber sein eigenes Antiteilchen:

Was beim Neutrino nicht der Fall ist, da es eine Leptonenzahl trägt, die im Falle des Antiteilchen negativ ist.

Also im Grunde gar kein Nachweis, sondern bloße Behauptung. Die Erhaltung der Leptonenzahl ist nur eine Annahme des Standardmodells, das offensichtlich falsch ist.

Es wäre schön, wenn sich herausstellen würde, dass die Leptonenzahl keine Erhaltungsgröße ist, weil man dann ein Perpetum Mobile bauen könnte.

[irony]

Die spontane Umwandlung der Neutrinos untereinander, ohne offensichtliche Einwirkung von außen.

Ja, und was bedeutet das? Offenbar doch, dass es nur ein Neutrino in drei Erscheinungsformen gibt.

Ein Photon ist kein Neutrino, ansonsten stimmt deine Aufzählung. Es gibt zu jedem schweren Lepton (Elektron, Myon, Tauon) ein dazugehöriges Neutrino.

Oszillieren diese Neutrinos auch, oder nur die von der Sonne?

Und dass ein Photon kein Neutrino ist, weiß ich. Es ist aber sein eigenes Antiteilchen:

Sind sämtliche additiven Quantenzahlen eines Teilchens Null, so ist das Teilchen sein eigenes Antiteilchen. Dies ist zum Beispiel beim Photon, beim Z0 und dem neutralen Pion π0 der Fall.

Das Problem ist nun, dass ein Elektron entsteht, was ein Lepton mit einer Leptonenzahl darstellt, ohne das der Ausgangspartikel eine solche Leptonenzahl trägt.

Daraus wurde geschlussfolgert, dass ein weiteres Teilchen mit einer negativen Leptonenzahl, ein Antilepton entstehen muss. Dieses Antilepton muss zudem ziemlich leicht sein, was nur auf Neutrinos und Antineutrinos zutrifft.

Der Beta-Zerfall eines Neutrons ist also der tagtägliche indirekte Nachweis der Existenz von Antineutrinos.

Also im Grunde gar kein Nachweis, sondern bloße Behauptung. Die Erhaltung der Leptonenzahl ist nur eine Annahme des Standardmodells, das offensichtlich falsch ist.

[McWire]

Mir ist es immer noch nicht klar: Man hat ja Neutrinooszillationen beobachtet, was auch immer die bedeuten.

Die spontane Umwandlung der Neutrinos untereinander, ohne offensichtliche Einwirkung von außen.

Wie viel verschiedene Neutrinos gibt es denn nun?

Elektron-Neutrinos, Myon-Neutrinos, Tau-Neutrinos, plus deren Anti-Teilchen, oder gibt es nur ein Neutrino in drei Zuständen, das zudem noch sein eigenes Antiteilchen ist, so wie das Photon?

Ein Photon ist kein Neutrino, ansonsten stimmt deine Aufzählung. Es gibt zu jedem schweren Lepton (Elektron, Myon, Tauon) ein dazugehöriges Neutrino.

Wie weist man experimentell ein Anti-Neutrino nach?

Durch bloße Beobachtung der Erhaltungsgrößen:

Beispiel "Beta-"-Zerfall / Neutronzerfall

Wenn ein freies Neutron (Neutronen haben eine Halbwertszeit von 886 Sekunden ~ 14 Minuten) zerfällt, so entsteht ein Proton und ein Elektron.

Damit ist die elektrische Ladungszahl erhalten, da aus einem neutralen Teilchen ein positiv geladenes und ein negativ geladenes entsteht.

Auch die Nukleonzahl (Baryonzahl) bleibt erhalten, da aus einem Nukleon ein neues Nukleon entsteht.

Das Problem ist nun, dass ein Elektron entsteht, was ein Lepton mit einer Leptonenzahl darstellt, ohne das der Ausgangspartikel eine solche Leptonenzahl trägt.

Daraus wurde geschlussfolgert, dass ein weiteres Teilchen mit einer negativen Leptonenzahl, ein Antilepton entstehen muss. Dieses Antilepton muss zudem ziemlich leicht sein, was nur auf Neutrinos und Antineutrinos zutrifft.

Der Beta-Zerfall eines Neutrons ist also der tagtägliche indirekte Nachweis der Existenz von Antineutrinos.

[irony]

Mir ist es immer noch nicht klar: Man hat ja Neutrinooszillationen beobachtet, was auch immer die bedeuten. Wie viel verschiedene Neutrinos gibt es denn nun?

Elektron-Neutrinos, Myon-Neutrinos, Tau-Neutrinos, plus deren Anti-Teilchen, oder gibt es nur ein Neutrino in drei Zuständen, das zudem noch sein eigenes Antiteilchen ist, so wie das Photon?

Wie weist man experimentell ein Anti-Neutrino nach?