Warum sind alle Elektronen gleich?

[MJ01]

Zitat von Sakslane

Im ursprünglichen Standardmodell der Teilchenphysik, so wie es vor der Entdeckung der Neutrino-Oszillationen entwickelt wurde, waren sogar alle drei Neutrino-Sorten masselos. Das lässt sich tatsächlich einfacher erklären als drei verschiedene Massen, die sehr viel kleiner sind als die der anderen massiven Teilchen (d.h. man sucht eine Erklärung für das "Hierarchieproblem", also die Frage, warum die Massen der Teilchen so extrem verschieden sind).

Heißt das, dass es keine verschiedenen Neutrinos gibt (Elektron, Myon, Tauon), sondern nur einen einzigen Typ, der allerdings zwischen den verschiedenen den einzelnen Massen-Eigenzuständen oszilliert?
Außerdem kann sich offensichtlich auch der Spin (Stichwort Helizität - stimmen diese Informationen in diesem WIKI-Artikel? Rechts- und Linkshändige Ausrichtung, d.h. Impuls in die Bewegungsrichtung und entgegengesetzt?) ändern.

Meine Frage daraus an Dich als Experten in diesem Bereich:
Gibt es eine nachweisbare Affinität zwischen Wechsel des Massen-Eigenzustandes und des Spins (Richtung des Impulses)? Oder anders gefragt: Hängt die Masse der Neutrinos eventuell von der Richtung des Helizitäts-Impulses ab?
Wenn nicht, wie ist der Zusammenhang dann zu verstehen?

[derwestermann]

Zitat von Sakslane

Man kann zwar Theorien in Frage stellen, aber nicht die Beobachtungen, die durch diese Theorien (korrekt) beschrieben werden, und die sich jederzeit experimentell überprüfen lassen.

Da muss ich doch einschränken, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Theorien korrekt nachgewiesen relativ hoch ist, aber eben nur das.
Ich führe mal diese Aussage zum Zerfall des Higgs-Bosons in zwei Bottom-Quarks an:

Auch wenn die Erkenntnis streng betrachtet keine völlige, sondern nur eine relative Sicherheit bedeutet, sind sich die Spezialisten einig, den Bottom-Quark-Zerfall nun endlich ganz konkret dingfest gemacht zu haben

Aus: https://www.forschung-und-wissen.de/...uarks-13372495

Ich komme ja auch nicht mit dem elektrischen Universum um die Ecke, oder Zweifle das gesamte heutige physikalische Weltbild an, sondern denke, dass da noch massenhaft zu entdecken ist.
Ich bin ziemlich überzeugt, dass in einer nicht zu fernen Zukunft ebenso mathematische Beschreibung dessen existieren, was wir heute nur in die metaphysische, oder transzendente Ecke schieben können.

[basti_79]

Zitat von MJ01

Heißt das, dass es keine verschiedenen Neutrinos gibt (Elektron, Myon, Tauon), sondern nur einen einzigen Typ, der allerdings zwischen den verschiedenen den einzelnen Massen-Eigenzuständen oszilliert?

Nein, jedes Neutrino hat zu jedem Zeitpunkt einen (theoretisch) feststellbaren Typ. Das macht das Phänomen ja gerade so beachtlich. Wären Neutrinos einfach nur ein "Überlagerungszustand" aus den drei Typen, könnte man weder eine nennenswerte "Oszillation" feststellen, noch hätte es Bedarf gegeben, überhaupt drei Typen festzustellen.

Wegen der Helizität warten wir besser auf Sakslane. Unter diesem Vorbehalt: es gibt wohl nur eine Richtung Spin bei Neutrinos.

[Sakslane]

Zitat von MJ01

Heißt das, dass es keine verschiedenen Neutrinos gibt (Elektron, Myon, Tauon), sondern nur einen einzigen Typ, der allerdings zwischen den verschiedenen den einzelnen Massen-Eigenzuständen oszilliert?

Nein. Es gibt 3 Masseneigenzustände und 3 Flavoureigenzustände. Wenn man ein Neutrino durch seine Wechselwirkung mit einem anderen Teilchen misst (z.B. die Umwandlung in ein geladenes Lepton, also ein Elektron, Müon oder Tau), dann beobachtet man einen Flavoureigenzustand, d.h. das Neutrino wandelt sich in genau eine bestimmte Leptonsorte um. Man beobachtet durch Wechselwirkungen also immer Elektron-, Müon- oder Tau-Neutrinos. Genau so werden Neutrinos auch immer in einem dieser drei Zustände erzeugt. Diese Zustände haben aber keine bestimmten Massen, d.h. es gibt z.B. keine "Masse des Elektron-Neutrinos". Die Masseneigenzustände, die etwas darüber aussagen, wie sich Teilchen durch den Raum bewegen, sind Mischungen aus den Flavoureigenzuständen (und umgekehrt). Wenn nun z.B. in der Sonne Elektron-Neutrinos erzeugt werden, können sich diese so in Richtung Erde bewegen, als hätten sie eine von drei verschiedenen Massen. Diese verschiedenen Massen bewirken, dass die Neutrinos verschieden schnell sind, und sie interferieren miteinander. In der Sonne, wo sie starten, interferieren sie gerade so, dass sich die Müon- und Tau-Anteile auslöschen, deshalb hat man dort nur Elektron-Neutrinos. Auf der Erde haben sich aber die verschiedenen Anteile gegeneinander "verschoben", weil die verschiedenen Massen verschieden schnell laufen - deshalb löschen sich die Elektron-Anteile teilweise aus, und man findet andere Neutrinos, weil sich letztere nicht mehr komplett auslöschen. Das sind dann die Neutrino-Oszillationen. Es sind also durchaus verschiedene Teilchen, mit unterschiedlichen Wechselwirkungen, aber durch die Quantenmechanik sind diese Teilchen einander überlagert.

Außerdem kann sich offensichtlich auch der Spin (Stichwort Helizität - stimmen diese Informationen in diesem WIKI-Artikel? Rechts- und Linkshändige Ausrichtung, d.h. Impuls in die Bewegungsrichtung und entgegengesetzt?) ändern.

Die Helizität ist (grob ausgedrückt) die Projektion des Spins auf den Impuls. Spin und Impuls können in die gleiche oder die entgegengesetzte Richtung zeigen. Wenn man aber Teilchen hat, die eine Masse besitzen, dann bewegen sich diese immer langsamer als das Licht. Dann kann sich aber ein Beobachter schneller als das Teilchen bewegen, und für diesen Beobachter bewegt sich das Teilchen in die entgegengesetzte Richtung. Sein Impuls zeigt also in die entgegengesetzte Richtung - der Spin aber nach wie vor in die gleiche. Deshalb hängt für massive Teilchen die Helizität vom Beobachter ab. Masselose Teilchen dagegen haben eine feste Helizität.

Meine Frage daraus an Dich als Experten in diesem Bereich:
Gibt es eine nachweisbare Affinität zwischen Wechsel des Massen-Eigenzustandes und des Spins (Richtung des Impulses)? Oder anders gefragt: Hängt die Masse der Neutrinos eventuell von der Richtung des Helizitäts-Impulses ab?
Wenn nicht, wie ist der Zusammenhang dann zu verstehen?

Die Masse kann nicht von der Helizität abhängen, da für massive Teilchen immer beide Helizitäten vorhanden sind, abhängig vom Beobachter, die Masse dagegen hängt nicht vom Beobachter ab.

Zitat von derwestermann

Da muss ich doch einschränken, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Theorien korrekt nachgewiesen relativ hoch ist, aber eben nur das.

Ich habe nicht gesagt, dass die Theorien korrekt nachgewiesen sind, sondern, dass sie die Beobachtungen korrekt beschreiben. Man kann niemals eine Theorie beweisen, sondern höchstens widerlegen, wenn sie nicht im Einklang mit Beobachtungen steht. Aber man kann durchaus Theorien haben, die mit allen bisher durchgeführten Beobachtungen im Einklang stehen. Eine solche Theorie ist aber nicht "korrekt nachgewiesen", sondern beschreibt nur die Beobachtungen korrekt.

Ich komme ja auch nicht mit dem elektrischen Universum um die Ecke, oder Zweifle das gesamte heutige physikalische Weltbild an, sondern denke, dass da noch massenhaft zu entdecken ist.
Ich bin ziemlich überzeugt, dass in einer nicht zu fernen Zukunft ebenso mathematische Beschreibung dessen existieren, was wir heute nur in die metaphysische, oder transzendente Ecke schieben können.

Dafür braucht es erst einmal stichhaltige, reproduzierbare Beobachtungen.

Zitat von basti_79

Nein, jedes Neutrino hat zu jedem Zeitpunkt einen (theoretisch) feststellbaren Typ. Das macht das Phänomen ja gerade so beachtlich. Wären Neutrinos einfach nur ein "Überlagerungszustand" aus den drei Typen, könnte man weder eine nennenswerte "Oszillation" feststellen, noch hätte es Bedarf gegeben, überhaupt drei Typen festzustellen.

Nun ja, genau genommen ist es ja ein Überlagerungszustand, im Sinne der Quantenmechanik. Aber der hat eben die Eigenschaft, dass 1. das Mischungsverhältnis verschieden sein kann, 2. dieses Verhältnis die Wahrscheinlichkeit angibt, eine bestimmte Neutrino-Sorte zu messen und 3. immer eine bestimmte Sorte gemessen wird und nie eine Mischung.

Wegen der Helizität warten wir besser auf Sakslane. Unter diesem Vorbehalt: es gibt wohl nur eine Richtung Spin bei Neutrinos.

Das hat man tatsächlich lange angenommen, weil man beim Beta-Zerfall immer nur eine bestimmte Helizität gemessen hat. Das liegt daran, dass der Beta-Zerfall ein Prozess der schwachen Wechselwirkung ist, und letztere die Parität verletzt, d.h. linkshändige und rechtshändige Teilchen wechselwirken in der schwachen Wechselwirkung. Deshalb entsteht dabei nur eine Helizität von Neutrinos (und zwar im Ruhesystem des Prozesses). Damals dachte man aber, Neutrinos wären masselos, und dass es daher nur diese eine Helizität gäbe, die dabei entsteht. Wenn sie aber eine Masse haben, gibt es immer beide Helizitäten (wie oben erklärt).

[HaraldL]

Wenn das Higgs-Boson in Bottom-Quarks zerfallen soll, dann stellt sich die Frage, ob es überhaupt freie Quarks gibt, denn meines Wissens nach ist es nicht möglich, derartige zu erzeugen.

Bezüglich Neutrinooszillationen: könnte es derartige Oszillationen auch bei anderen Teilchen geben? Wäre es denkbar, daß es an Stelle eines Protonenzerfalls eine Protonenoszillation mit einer Halbwertszeit von über 10 hoch 40 Jahren gibt?

[basti_79]

Zitat von Sakslane

Nun ja, genau genommen ist es ja ein Überlagerungszustand, im Sinne der Quantenmechanik. Aber der hat eben die Eigenschaft, dass 1. das Mischungsverhältnis verschieden sein kann, 2. dieses Verhältnis die Wahrscheinlichkeit angibt, eine bestimmte Neutrino-Sorte zu messen und 3. immer eine bestimmte Sorte gemessen wird und nie eine Mischung.

Ok.

[Sakslane]

Zitat von HaraldL

Wenn das Higgs-Boson in Bottom-Quarks zerfallen soll, dann stellt sich die Frage, ob es überhaupt freie Quarks gibt, denn meines Wissens nach ist es nicht möglich, derartige zu erzeugen.

Die Quarks, die beim Zerfall eines Higgs-Bosons entstehen, sind natürlich nicht frei, genau so wenig wie bei anderen Zerfällen. Sie bilden kurz nach der Entstehung Hadronen.

Bezüglich Neutrinooszillationen: könnte es derartige Oszillationen auch bei anderen Teilchen geben? Wäre es denkbar, daß es an Stelle eines Protonenzerfalls eine Protonenoszillation mit einer Halbwertszeit von über 10 hoch 40 Jahren gibt?

Bei Quarks ist diese Eigenschaft schon lange bekannt, nämlich die Möglichkeit, dass z.B. Strange-Quarks zu Up-Quarks zerfallen können. Diese Mischung wird durch die CKM-Matrix beschrieben. Allerdings kommen Quarks nicht als freie Teilchen vor. Stattdessen beobachtet man eine Überlagerung z.B. beim Zerfall von Mesonen mit Strange- oder Bottom-Quarks. Beim Proton gibt es dagegen keinen leichteren Quark-Partner, in den es zerfallen könnte, und ein Zerfall bzw. eine Oszillation bräuchte andere Mechanismen, die bisher aber nicht beobachtet wurden.

[MJ01]

Zitat von Sakslane

Nein. Es gibt 3 Masseneigenzustände und 3 Flavoureigenzustände. Wenn man ein Neutrino durch seine Wechselwirkung mit einem anderen Teilchen misst (z.B. die Umwandlung in ein geladenes Lepton, also ein Elektron, Müon oder Tau), dann beobachtet man einen Flavoureigenzustand, d.h. das Neutrino wandelt sich in genau eine bestimmte Leptonsorte um. Man beobachtet durch Wechselwirkungen also immer Elektron-, Müon- oder Tau-Neutrinos. Genau so werden Neutrinos auch immer in einem dieser drei Zustände erzeugt. Diese Zustände haben aber keine bestimmten Massen, d.h. es gibt z.B. keine "Masse des Elektron-Neutrinos". Die Masseneigenzustände, die etwas darüber aussagen, wie sich Teilchen durch den Raum bewegen, sind Mischungen aus den Flavoureigenzuständen (und umgekehrt).

Das heißt der Unterschied zwischen den einzelnen Neutinotypen ist primär der jeweilige Flavoureigenzustand, der gerade im Vordergrund steht, wobei der Massenzustand keinerlei Relevanz hat? Ist dieser Zustand unumkehrbar oder symmetrisch? Sprich kann ein Elektron-Neutrino zu einem Tau und danach zu einem Myon und zum Schluss wieder zu einem Elektron-Neutrino werden, was der Begriff "Oszillation" eigentlich unterstellt? Oder gibt es nur einen Überlagerungszustand, der sich ein einen anderen umwandelt und dann war es das? Oder hat man das noch nicht zur Genüge erforschen können? 13.000 km sind schließlich nicht besonders viel und die Beobachtungen sind primär ja nur durch statistische Auswertungen erfolgt.

Zitat von Sakslane

Die Helizität ist (grob ausgedrückt) die Projektion des Spins auf den Impuls. Spin und Impuls können in die gleiche oder die entgegengesetzte Richtung zeigen. Wenn man aber Teilchen hat, die eine Masse besitzen, dann bewegen sich diese immer langsamer als das Licht. Dann kann sich aber ein Beobachter schneller als das Teilchen bewegen, und für diesen Beobachter bewegt sich das Teilchen in die entgegengesetzte Richtung. Sein Impuls zeigt also in die entgegengesetzte Richtung - der Spin aber nach wie vor in die gleiche. Deshalb hängt für massive Teilchen die Helizität vom Beobachter ab. Masselose Teilchen dagegen haben eine feste Helizität.

Ok danke, auch für den Laien gut nachvollziehbar erklärt.
Der Spin zeigt also immer in Richtung der Ausbreitung?
Inwieweit könnte man das Prinzip verändern, wenn Teilchen und Beobachter sich in unterschiedlichen Medien bewegen würden? Wenn also der Lichtstrahl in einem dichteren Medium (z.B. Wasser) bewegt würde als der Beobachter (z.B. Vakuum)? Gilt dann das Prinzip auch so? Zeigt der Impuls dann auch bei einem Lichtstrahl in die entgegengesetzte Richtung?

[Sakslane]

Zitat von MJ01

Das heißt der Unterschied zwischen den einzelnen Neutinotypen ist primär der jeweilige Flavoureigenzustand, der gerade im Vordergrund steht, wobei der Massenzustand keinerlei Relevanz hat?

Nein. Beide haben eine Relevanz. Es kommt immer auf das Experiment an und auf die Eigenschaft, die man misst. Wenn man die Sorte bestimmt (z.B. durch Wechselwirkung), zählt der Flavour-Eigenzustand. Bestimmt man die Ausbreitungsgeschwindigkeit, ist es der Masseneigenzustand.

Ist dieser Zustand unumkehrbar oder symmetrisch? Sprich kann ein Elektron-Neutrino zu einem Tau und danach zu einem Myon und zum Schluss wieder zu einem Elektron-Neutrino werden, was der Begriff "Oszillation" eigentlich unterstellt? Oder gibt es nur einen Überlagerungszustand, der sich ein einen anderen umwandelt und dann war es das? Oder hat man das noch nicht zur Genüge erforschen können? 13.000 km sind schließlich nicht besonders viel und die Beobachtungen sind primär ja nur durch statistische Auswertungen erfolgt.

Die Oszillation kann in beide Richtungen erfolgen. Deshalb testet man es mit verschiedenen Anfangszuständen (z.B. Müon-Neutrinos bei CNGS).

Der Spin zeigt also immer in Richtung der Ausbreitung?

Nein, der Spin ist eine unabhängige Größe. Der Impuls zeigt immer in Richtung der Ausbreitung (und die hängt vom Bezugssystem ab). Spin und Impuls haben (vereinfacht gesagt) nur 1. bei der schwachen Wechselwirkung und 2. im Bezugssystem der Wechselwirkung eine feste Beziehung.

Inwieweit könnte man das Prinzip verändern, wenn Teilchen und Beobachter sich in unterschiedlichen Medien bewegen würden? Wenn also der Lichtstrahl in einem dichteren Medium (z.B. Wasser) bewegt würde als der Beobachter (z.B. Vakuum)? Gilt dann das Prinzip auch so? Zeigt der Impuls dann auch bei einem Lichtstrahl in die entgegengesetzte Richtung?

In dem Fall könnte man das Licht tatsächlich überholen. Allerdings hat man in diesem Fall keine freien Photonen, sondern diese wechselwirken ständig mit dem Medium, werden absorbiert, reemittiert, gestreut. Da funktioniert das Prinzip der Helizität zur Beschreibung nicht mehr so wie mit freien Teilchen. Dennoch kommen aber bei Photonen beide Helizitäten vor (weil die elektromagnetische Wechselwirkung im Gegensatz zur schwachen Wechselwirkung nicht die Parität verletzt, sondern symmetrisch ist - das sind dann die beiden Polarisationszustände des Lichts).

[MJ01]

Zitat von Sakslane

Nein. Beide haben eine Relevanz. Es kommt immer auf das Experiment an und auf die Eigenschaft, die man misst. Wenn man die Sorte bestimmt (z.B. durch Wechselwirkung), zählt der Flavour-Eigenzustand. Bestimmt man die Ausbreitungsgeschwindigkeit, ist es der Masseneigenzustand.

Schade, dass man mit unseren Messungen nicht beides zur gleichen Zeit messen kann. OK, dann einmal herzlichen Dank für die Erklärung.

Zitat von Sakslane

Die Oszillation kann in beide Richtungen erfolgen. Deshalb testet man es mit verschiedenen Anfangszuständen (z.B. Müon-Neutrinos bei CNGS).

Meine Frage ging weniger in Richtung ob man bei unterschiedlichen Voraussetzungen unterschiedliche Umwandlungen messen kann, sondern, ob ein bestimmter Neutrinotyp sich nur in einen anderen Typ umwandeln kann, oder ob sich derselbe nach einiger Zeit wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurück/weiterumwandeln kann? Also eine "echte" Oszillation stattfindet.

Zitat von Sakslane

In dem Fall könnte man das Licht tatsächlich überholen. Allerdings hat man in diesem Fall keine freien Photonen, sondern diese wechselwirken ständig mit dem Medium, werden absorbiert, reemittiert, gestreut. Da funktioniert das Prinzip der Helizität zur Beschreibung nicht mehr so wie mit freien Teilchen.

Könnte dann nicht auch die Vakuumdichte (Stichwort Phantom Dark Energy Areas) einen ähnlichen Effekt (=unterschiedliche Medien) verursachen? Ob also die Photonen in diesen Gebieten auch nicht "frei" wären?