Warum gibt es Myonen ?

[Mondkalb]

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 ?

Die Materie um uns herum besteht nur aus Teilchen der ersten Familie. Die Teilchen der beiden anderen Familien kommen nur bei sehr Energiereichen Prozessen zum Vorschein und wurden deshalb auch sehr viel später entdeckt.

Warum gibt es drei Familien und nicht vier oder fünf oder nur zwei? Wer weiß? Vielleicht gibt es andere Universen in denen so etwas möglich ist.

[McWire]

Da bin ich skeptisch: Myon und Myonneutrino sind beides Fermionen.
Das W-Boson ist ein Boson. Ich glaube nicht, dass sich ein Fermion in ein Boson umwandelt, oder doch ?

Aus meiner Sicht wandelt sich das Myon in ein Myonneutrino um und gibt Masse und Ladung in Form eines W-Bosons ab. So interpretiere ich auch das Feynman-Diagram

Gut, wenn man es so sieht, hast du recht. Ich habe jetzt nur den entsprechenden Energiefluss betrachtet.

Wenn man das Diagramm nach der Masse darstellt, so geht der Hauptanteil in das Boson und anschließend in die kinetische Energie des Elektron.

Die Neutrinos (Antineutrino + Neutrino) dienen nur der Kompensation der Leptonenzahl und für einige andere Erhaltungsgrößen.

[Mondkalb]

Ein Elektron kann ja auch nicht in ein leichteres Elementarteilchen zerfallen, weil es keins gibt.

Das W-Boson ist nur ein Austauschteilchen, das die elektroschwache Kraft vermittelt.

Eichboson ? Wikipedia

[irony]

Die Materie um uns herum besteht nur aus Teilchen der ersten Familie. Die Teilchen der beiden anderen Familien kommen nur bei sehr Energiereichen Prozessen zum Vorschein und wurden deshalb auch sehr viel später entdeckt.

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.

Ein Elektron kann ja auch nicht in ein leichteres Elementarteilchen zerfallen, weil es keins gibt.

Stimmt so auch nicht. Gerade gelesen (Wikipedia W-Boson ):

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

Und ein Elektron-Neutrino ist auf jeden Fall deutlich leichter als ein Elektron.

[McWire]

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.

Solange keine Hochenergieprozesse auftreten, dürfte man die anderen Generationen sowieso nicht merken. Von daher würde ich spontan ja sagen, aber ohne Gewähr.

[Zeno-2]

Interessante Fragen.

Ich glaube die eigentliche Frage ist dabei die nach der Vereinheitlichung der Kräfte. Im Standardmodell der Partikelphysik hat das Myon seinen festen Platz. Gäbe es kein Myon, wäre die Symmetrie (welche?) gestört, und man müßte daß Myon sozusagen erfinden, damit die Symmetrie wiederum passt. Warum es aber eine Symmetrie gibt, dazu müßte man wohl einen Theoretischen Physiker fragen.

Eine Weile wurde spekuliert, daß die so genannte Kalte Fusion aufgrund des Myons zustande kommt. Aber die KF wurde dann ja wieder ad acta gelegt.

[irony]

Ich glaube die eigentliche Frage isz dabei die nach der Vereinheitlichung der Kräfte. Im Standardmodell der Partikelphysik hat das Myon seinen festen Platz.

Ich denke, dass das Standardmodell falsch ist (siehe Wikipedia Neutrino):

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. In der quantenfeldtheoretischen Beschreibung hieße dies, dass das Neutrinofeld kein Dirac-Spinor, sondern ein Majorana-Spinor wäre, im Widerspruch zum jetzigen Standardmodell.

Auch ohne, dass ich das jetzt verstehe .

Lustig sind auch Neutrino-Oszillationen:

Als Neutrinooszillation wird in der Physik die von Bruno Pontecorvo 1957 theoretisch vorhergesagte Umwandlung zwischen verschiedenen Elementarteilchen, den Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos, aufgrund quantenmechanischer Prozesse bezeichnet.

Vielleicht gibt es in Wirklichkeit nur ein einziges echtes Lepton: eine Art Universalneutrino, das sich in drei Formen (Elektron, Myon und Tauon-Neutrino) verwandeln und mit Ladung und Masse zu Elektronen, Myonen und Tauonen aufladen kann (plus Antiteilchen).

[Bynaus]

Was ich aber verstehe ist, dass sich dann Bynaus Tabelle vereinfachen würde, dann gäbe es nur noch drei Reihen und drei Spalten

??? Wie kommst du denn da drauf? Elementarteilchen sind Elementarteilchen: Teilchen, die nicht aus anderen Teilchen bestehen und bestimmte Eigenschaften wie Masse, Ladung, Spin etc besitzen. Elementarteilchen können instabil sein und unter Abgabe von Energie, Ladung etc in andere Teilchen umgewandelt werden - aber das heisst nicht, dass das vorherige Teilchen deswegen nicht elementar wäre. All diese Umwandlungsprozesse gibt es nämlich auch in ihrer Umkehrung, dh, ein W-Boson + ein Myon-Neutrino können ein Myon bilden, etc.

[irony]

??? Wie kommst du denn da drauf? Elementarteilchen sind Elementarteilchen: Teilchen, die nicht aus anderen Teilchen bestehen und bestimmte Eigenschaften wie Masse, Ladung, Spin etc besitzen. Elementarteilchen können instabil sein und unter Abgabe von Energie, Ladung etc in andere Teilchen umgewandelt werden - aber das heisst nicht, dass das vorherige Teilchen deswegen nicht elementar wäre. All diese Umwandlungsprozesse gibt es nämlich auch in ihrer Umkehrung, dh, ein W-Boson + ein Myon-Neutrino können ein Myon bilden, etc.

Was macht dich so sicher, dass ein Elektron oder ein Myon nicht aus einem entsprechenden Neutrino besteht, das aufgeladen wurde ?

Auch könnte das Myon einfach ein anderer, instabiler Zustand des Elektrons sein.

[Agent Scullie]

Danke für den Link. Ich finde diese Familien sehr seltsam.
Unterscheiden sich Elektron, Myon und Tauon nur durch die Masse ?
Und was hat es mit den drei verschiedenen Neutrinos auf sich ?
Durch was unterscheiden die sich ?

wenn wir nach der Quantenfeldtheorie gehen, unterscheiden sich unterschiedliche Teilchenarten durch unterschiedliche zugrundeliegende (Quanten-)Felder. Elektronen (und Positronen) sind Feldquanten eines Elektronenfeldes, Myonen und Antimyonen Feldquanten eines Myonenfeldes, usw. Nach dem Standardmodell der Teilchenphysik gibt es also sechs leptonische Felder und sechs Quarkfelder.

[Bynaus]

"Aufgeladen" - wie denn? Womit? Nach welchem Mechanismus? Myonen und Elektronen haben Masse, Neutrinos (fast) keine. Das Problem ist aber die Umkehrbarkeit: was ist denn nun nach deiner Auffassung "fundamentaler", wenn A->B werden kann, aber genauso auch B->A?

Wie gesagt: Die Elementarteilchen des Standardmodells sind beobachtete Teilchen mit messbaren Eigenschaften. Was sie darüber hinaus "sind", kann man so nicht sagen ("in höheren Dimensionen schwingende Strings", würden etwa die Stringtheoretiker vorschlagen). Wenn du selbst eine Erklärung vorschlägst, was diese Teilchen denn nun "sind", dann müsstest du dafür auch konkrete Beobachtungen herzeigen können, die sich mit deiner Erklärung besser deuten lassen als mit der "herkömmlichen". Ansonsten ist das lediglich Phantasterei ohne Verankerung in der Realität.

[Agent Scullie]

Warum ist das Myon nicht stabil ?

weil es zerfallen kann, ohne einen Erhaltungssatz zu verletzen. Erhaltungssätze gibt es z.B. für die elektrische Ladung und für die Leptonenzahl. Ein Myon hat eine Ladung von -1 und eine Leptonenzahl von +1, ebenso wie das Elektron. Es kann daher zerfallen, wenn ein Elektron unter den Zerfallsprodukten ist. Das Elektron dagegen kann nicht zerfallen: die Leptonenzahlerhaltung würde zwar den Zerfall zu einem Neutrino (ebenfalls Leptonenzahl +1) erlauben, der wird aber durch die Erhaltung der elektrischen Ladung verboten.

Wenn ich es richtig sehe, zerfällt ein Myon in ein Neutrino und ein W-Boson.
Das W-Boson zerfällt weiter in ein Elektron und ein Neutrino.

Ist das Myon nun ein nicht mehr weiter zerlegbares Elementarteilchen, oder nicht ?
Die Definition heißt ja:
Woher kommt dann das W-Boson ?

du scheinst ein Problem mit einer Vorstellung zu haben, die grundlegend für die moderne Teilchenphysik ist, nämlich dass Teilchen erzeugt und vernichtet werden können. Beim Zerfall eines Teilchens X kann ein Teilchen Y entstehen, ohne dass dieses Teilchen Y vorher in irgendeiner Weise als Konstituent von Teilchen X vorhanden gewesen sein muss. Es wird einfach das Teilchen X vernichtet, und neue Teilchen, darunter Y, werden erzeugt.
Im hier betrachteten Fall wird also ein Myon vernichtet und ein Neutrino und ein W-Boson erzeugt. Das W-Boson wird kurz darauf ebenfalls vernichtet, was von der Erzeugung eines Elektrons und eines Antineutrinos begleitet ist.

Dies war auch die maßgebliche Motivation für die Aufstellung der Quantenfeldtheorie (QFT), die die Grundlage für die Teilchenphysik bildet: man brauchte ein dem einzelnen Teilchen übergeordnetes Konstrukt, das beim Erzeugen und Vernichten von Teilchen lediglich seinen Zustand ändert. Als dieses übergeordnete Konstrukt erwies sich gerade das Konzept des Quantenfeldes: wird ein Teilchen vernichtet, geht das einzelne Teilchen zwar verloren, aber das zugehörige Feld besteht fort, nur sein Zustand hat sich geändert.

Um das ganze noch vewirrender zu machen: aus QFT-Sicht gibt es keinen fundamentalen Unterschied zwischen der Erzeugung/Vernichtung eines Teilchens und dessen einfacher Streuung durch Wechselwirkung mit einem anderen Teilchen. D.h. ein Prozess, bei dem zuerst zwei Elektronen aufeinander zu und dann aufgrund ihrer Abstoßung voneinander weg fliegen, unterscheidet sich nicht wesentlich von einem Prozess, wo ein Elektron vernichtet wird. Beim Abstoßungseffekt werden quasi die beiden aufeinanderzufliegenden Elektronen vernichtet, und dafür zwei neue, voneinander wegfliegende Elektronen erzeugt


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
Agent Scullie schrieb nach 3 Minuten und 39 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 ?

im Rahmen des Standardmodells ist die Symmetrie zwischen den drei Quark- und Leptonenfamilien in der Tat nur experimentelles Fakt, ohne theoretische Erklärung. Es gab und gibt Ansätze für eine vereinheitlichte Theorie der elektromagnetischen, schwachen und starken Wechselwirkung, aus der sich eine theoretische Begründung dieser Symmetrie ergeben soll, wie z.B. die SU(5)-Theorie aus den 70er Jahren. Die ist allerdings daran gescheitert, dass sie den Protonenzerfall vorhergesagt hat, der aber nicht nachgewiesen werden konnte.


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
Agent Scullie schrieb nach 7 Minuten und 14 Sekunden:

Genau so kann es nicht sein. Wenn ein Elektron mit einem anderen Elektron über ein Photon wechselwirkt, bleibt das Elektron ein Elektron.

Hier wandelt sich das Myon aber in ein Neutrino um.

Vielleicht sind ja auch Neutrinos die realen Teilchen, und das Myon ist nur eine Art Ladung des Neutrinos. Es könnte doch auch sein, dass Teilchen Ladung und Masse abgeben können ?

Da bin ich skeptisch: Myon und Myonneutrino sind beides Fermionen.
Das W-Boson ist ein Boson. Ich glaube nicht, dass sich ein Fermion in ein Boson umwandelt, oder doch ?

Aus meiner Sicht wandelt sich das Myon in ein Myonneutrino um und gibt Masse und Ladung in Form eines W-Bosons ab. So interpretiere ich auch das Feynman-Diagram

wie schon gesagt: du bist noch nicht ganz zu der Vorstellung durchgedrungen, dass Teilchen erzeugt und vernichtet werden können. Es macht keinen Sinn, danach zu fragen, ob sich das Myon in das W-Boson umwandelt oder in das Neutrino. Es wird einfach das Myon vernichtet, und zwei neue Teilchen, W-Boson und Neutrino werden erzeugt. Ebensowenig Sinn hat es, dazwischen unterscheiden zu wollen, dass ein Elektron bei einer Elektron-Elektron-Streuung ein Elektron bleibe, während ein Myon sich beim Myonenzerfall umwandele. Aus QFT-Sicht handelt es sich in beiden Fällen um Zustandsänderungen der zugrundeliegenden Quantenfelder.

[McWire]

wie schon gesagt: du bist noch nicht ganz zu der Vorstellung durchgedrungen, dass Teilchen erzeugt und vernichtet werden können. Es macht keinen Sinn, danach zu fragen, ob sich das Myon in das W-Boson umwandelt oder in das Neutrino. Es wird einfach das Myon vernichtet, und zwei neue Teilchen, W-Boson und Neutrino werden erzeugt. Ebensowenig Sinn hat es, dazwischen unterscheiden zu wollen, dass ein Elektron bei einer Elektron-Elektron-Streuung ein Elektron bleibe, während ein Myon sich beim Myonenzerfall umwandele. Aus QFT-Sicht handelt es sich in beiden Fällen um Zustandsänderungen der zugrundeliegenden Quantenfelder.

Das Problem mit der Vorstellung hatte ich auch eine ganze Zeit lang.

Ich konnte mir in der Schulzeit einfach nicht den Beta-Zerfall vorstellen, bei dem ein up-Quark in ein down-Quark umgewandelt wird oder umgekehrt und dabei ein W-Boson entsteht, welches dann in Elektron/Positron und Elektron-Antineutrino/Elektron-Neutrino zerfällt.

Erst durch die "Vernichtungsbeschreibung" kann man sich das irgendwie bildlich vorstellen, da ja die beiden Quarks als bis dato strukturfreie Zustände nicht das jeweils andere Quark "enthalten" können.

Ich habe mir früher immer vorgestellt, dass das massereichere Quark aus einem masseärmeren Quark mit einer Art Hülle darum besteht, die dann sozusagen abgestoßen werden kann. Problem ist nur, dass der Beta-Zerfall in beide Richtungen funktioniert und das dies diese Vorstellung ad absurdum führt.

[Agent Scullie]

Könnte ein Universum nur mit up- und down-Quarks sowieso Elektronen und Neutrinos funktionieren ?

das hängt von der Theorie ab, die du zugrundelegst. Nach dem Standardmodell gibt es keinen theoretischen Grund, der dagegen spricht. Das kann in vereinheitlichten Theorien aber ganz anders aussehen.

Stimmt so auch nicht. Gerade gelesen (Wikipedia W-Boson ):

das gibt's aber nur als inneren Prozess, bei dem im zugehörigen Feynman-Diagramm das W-Boson nur als innere Linie auftritt, wo als auslaufendes Teilchen dann wieder ein Elektron vorhanden ist, z.B. bei der durch die schwache WW vermittelten Elektron-Neutrino-Streuung: das einlaufende Elektron wandelt sich am einen Vertex durch Emission des W-Bosons in das auslaufende Neutrino um, das einlaufende Neutrino am zweiten Vertex durch Absorption des W-Boson in das auslaufende Elektron.

[irony]

weil es zerfallen kann, ohne einen Erhaltungssatz zu verletzen. Erhaltungssätze gibt es z.B. für die elektrische Ladung und für die Leptonenzahl. Ein Myon hat eine Ladung von -1 und eine Leptonenzahl von +1, ebenso wie das Elektron. Es kann daher zerfallen, wenn ein Elektron unter den Zerfallsprodukten ist.

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:

du scheinst ein Problem mit einer Vorstellung zu haben, die grundlegend für die moderne Teilchenphysik ist, nämlich dass Teilchen erzeugt und vernichtet werden können. Zerfall eines Teilchens X kann ein Teilchen Y entstehen, ohne dass dieses Teilchen Y vorher in irgendeiner Weise als Konstituent von Teilchen X vorhanden gewesen sein muss. Es wird einfach das Teilchen X vernichtet, und neue Teilchen, darunter Y, werden erzeugt.

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 ?

Um das ganze noch vewirrender zu machen: aus QFT-Sicht gibt es keinen fundamentalen Unterschied zwischen der Erzeugung/Vernichtung eines Teilchens und dessen einfacher Streuung durch Wechselwirkung mit einem anderen Teilchen. D.h. ein Prozess, bei dem zuerst zwei Elektronen aufeinander zu und dann aufgrund ihrer Abstoßung voneinander weg fliegen, unterscheidet sich nicht wesentlich von einem Prozess, wo ein Elektron vernichtet wird. Beim Abstoßungseffekt werden quasi die beiden aufeinanderzufliegenden Elektronen vernichtet, und dafür zwei neue, voneinander wegfliegende Elektronen erzeugt

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

im Rahmen des Standardmodells ist die Symmetrie zwischen den drei Quark- und Leptonenfamilien in der Tat nur experimentelles Fakt, ohne theoretische Erklärung.

Einfach nur für jede Leptonen-Sorte ein eigenes Quantenfeld anzunehmen ist für mich auch noch keine Erklärung. Für mich klingt das eher so als ob man etwas ausrechnen kann, ohne verstanden zu haben, was wirklich vor sich geht.

Dass man ein Myon-Feld einführt, weil man Myonen beobachtet hat, ist meiner Ansicht nach auch nur durch ein experimentelles Fakt motiviert.

Ebensowenig Sinn hat es, dazwischen unterscheiden zu wollen, dass ein Elektron bei einer Elektron-Elektron-Streuung ein Elektron bleibe, während ein Myon sich beim Myonenzerfall umwandele. Aus QFT-Sicht handelt es sich in beiden Fällen um Zustandsänderungen der zugrundeliegenden Quantenfelder.

Was genau sind nun diese Quantenfelder ?
Sind diese Felder die Realität oder nur mathematische Konstrukte ?
Und wie hängt ein Myon-Feld mit einem Elektron-Feld zusammen ?