Quarks sind keine Fermionen topargument von adf

Theoretische Physik

Exemplarischer Anfang und Ende des Standardmodells der Elementarteilchenphysik (SM)

... vom SM selbst nachgewiesene fatale Theoriefehler

Quarks sind keine Fermionen - Der nicht vorhandene Spin der Quarks und Gluonen

Eine richtungweisende, weit reichende Fehlentscheidung wurde im Jahre 1988 getroffen.

Die erste Annahme war, bedingt durch die theoretischen Vorgaben Mitte der 1960er Jahre, dass im Bild des SM der postulierte Protonenspin sich zu 100% aus den Spinanteilen der postulierten Quarks zusammensetzt. Diese Annahme wurde 1988 bei den EMC-Experimenten nicht bestätigt. Ganz im Gegenteil, es wurden sehr viel kleinere, sogar mit Null verträgliche Anteile gemessen ( ∆∑ = 0.12 ± 0.17 European Muon Collaboration). Die Quark-These von fermionischen Spin-½-Teilchen wurde experimentell nicht bestätigt. Hier hätte man aus wissenschaftlicher Sicht die "Quark-Idee" - experimentell basierend - argumentativ überprüfen müssen. Man kann diesen verpassten (möglichen) Wendepunkt gar nicht genug "strapazieren". Mit welcher Berechtigung werden (auch heute noch) Quarks als Spin-½-Teilchen "vorgestellt"?

Psychologisch ist das insofern leicht verständlich, da das SM Ende der 1980er Jahre bereits mehr als 20 Jahre existierte. Das in den sechziger Jahren von Richard Feynman entwickelte Quark-Parton-Modell (QPM) beschreibt Nukleonen als Zusammensetzung grundlegender punktförmiger Bauteile, die Feynman Partonen nannte. Diese Bauteile wurden daraufhin mit den wenige Jahre zuvor gleichzeitig von Gell-Mann und Zweig postulierten Quarks identifiziert. Man hoffte also Ende der 1980er Jahre darauf, dass es zukünftig Experimente geben wird, die den halbzahligen Spin der Quarks bestätigen. Eine Abkehr von der Hypothese das Quarks Fermionen sind, wäre das Ende des SM gewesen. Dann „passierte“ etwas phänomenologisch "Merkwürdiges". Weitere Denkansätze und Versuche brachten neue Theorieelemente ins Spiel. Merkwürdig in dem Sinne, daß mit dieser Idee das Quark als Träger eines intrinsischen Spinbeitrages bei genauer Sicht bereits gedanklich abgeschafft wurde.

Auch die daraus entstandene Annahme, daß die ins Leben gerufenen Gluonen zum Protonenspin beitragen, ergab nicht das gewünschte Ergebnis. In der dritten, derzeit aktuellen Theorie-Fassung sollen nun Quarks, Gluonen und deren dynamisch-relativistische Bahndrehimpulse im Ergebnis fein säuberlich den Protonenspin ausmachen.

Was den stark theoriebeladenen experimentellen Teil der postulierten relativistischen Quarks-„Bahndrehimpulse“ angeht, siehe die Ausführungen zum COMPASS-Experiment. Zur Computersimulation siehe exemplarisch The nucleon spin and momentum decomposition using lattice QCD simulations …Man beachte trotz der ergebnisorientierten Berechnungen die enormen Fehlergrenzen, wenn man in einem größeren Bild diese mit den Fehlergrenzen für (realphysikalische) magnetische Momente vergleicht (Doppel-Penning-Falle, QED).

Wie ein postuliert masseloses, nichtreales Theorieobjekt, sprich Gluon, einen "suggestiven" (relativistischen) Bahndrehimpuls generiert, soll ruhig Geheimnis des SM bleiben (psst).

Bei genauer Betrachtung besitzt diese 2.Nachkorrektur des SM den "Vorteil", dass das Ergebnis im Rahmen der Gitter-Eichfeld-Theorie und Konstrukten, wie "Pionenwolken", rein algorithmisch in Großrechner-Anlagen "errechnet" wird und aus Sicht der SM-Gläubigen nicht falsifiziert werden kann. Es wird also solange "kombiniert", bis das gewünschte Ergebnis iterativ vorliegt.

Aber hier kommt das riesengroße, übermächtige, logisch rational begründete

diese Maßnahme rechtfertigt offensichtlich keine Klassifizierung der Quarks als Fermionen. Denn egal wie konstruiert das asymmetrische Ensemble aus nicht beobachtbaren postulierten Theorieobjekten und Wechselwirkungen auch immer annonciert wird, die Quarks selbst werden dadurch nicht zu Spin-½-Teilchen-Entitäten.

Der Sachverhalt lässt sich (glücklicherweise) allgemein formulieren. Die Behauptung eine Entität (Quark) besitzt einen meßbaren intrinsischen Wert ist widerlegt, wenn Messungen keine solchen Ergebnisse liefern. Die Addition von weiteren postulierten Theorieobjekten (postulierte Gluonen) und weiteren postulierten Wechselwirkungen (relativistische Effekte) mögen in der Summe der Ereignisse den theoriegewünschten Wert ergeben, aber dadurch erhält respektive enthält die ursprüngliche Entität nicht den postulierten intrinsischen Wert. Diese Argumentation ist so einfach wie sie verständlich ist. Und nun? Ohne Quarks als Fermionen ist das SM am Ende. Dieser Umstand wird nicht thematisiert, verdrängt und wenn nötig verschwiegen. Es ist naiv zu glauben, daß die rational-logisch zu verstehende Erkenntnis Quarks sind keine Fermionen sich „einfach“ so durchsetzen wird. Denn dann sind alle bisherigen SM-Bemühungen „Geschichte“ sprich mehr als 50 Jahre Physikgeschichte. Epizykeltheorie und Phlogistontheorie grüssen. Es bedarf öffentlich wahrnehmbarer „sozialer“ Situationen, die mit erfahrenen und kompetenten Moderatoren weite Verbreitung finden, um den seit Jahrzehnten bekannten Fake News des SM ein Ende zu bereiten.

Zum (besseren) Verständnis einige Hintergründe zur Spinproblematik

Der quantenmechanische Spin "existiert" spätestens seit 1930 betrachtungsinkonsistent und ohne "Spin-Phänomenologie" rein mathematisch...

(Alternative) Aussagen zum quantenmechanischen Spin zu machen sind eine äußerst undankbare Aufgabe, da die herrschende Physik seit Ende der 1920er Jahre keine Bemühung mehr unternommen hat, den Spin phänomenologisch, sprich denkmodell-anschaulich zu beschreiben. Wolfgang Pauli schlug 1924 vor einen »quantenmechanischen Freiheitsgrad« für das Elektron einzuführen, der zwei Werte annehmen kann, um die Emissionsspektren von Alkalimetallen beschreiben zu können. Ralph Kronig (1904 - 1995), ein Assistent Alfred Landés, schlug 1925 vor, dieser unbekannte Freiheitsgrad werde von der Eigenrotation des Elektrons hervorgerufen. Aufgrund der Kritik Paulis an dieser Idee blieb Kronigs Vorschlag unveröffentlicht. Ebenfalls 1925 postulierten Samuel Abraham Goudsmit und George Eugene Uhlenbeck den Elektronenspin zur Erklärung der Linienaufspaltung in den Spektren sowie des anomalen Zeeman-Effekts. Im Jahre 1927 formulierte Pauli einen Formalismus für den quantenmechanischen Spin des Elektrons. Mit Hilfe der Pauli-Matrizen konnte er Elektronen-Wellenfunktionen als 2-komponentige Spinoren darstellen. 1928 stellte Paul Dirac eine relativistische Bewegungsgleichung für das Elektron auf. Die nach ihm benannte Dirac-Gleichung beschreibt u.a. den halbzahligen quantenmechanischen Spin. In all diesen rein mathematischen Beschreibungen existiert keine phänomenologische Grundlage (später mehr dazu).

Mit anderen Worten: Die Quantenmechanik (QM) "arbeitet" oft in Illustrationen und semantischen Ausführungen mit einer falschen Suggestion mittels des Begriffes Spin (Eigenrotation), doch der assoziierte QM-Formalismus beschreibt keine solche realphysikalische Rotation.

"Einfach" ausgedrückt: Der quantenmechanische Spin hat nichts mit einer Rotation zu tun und ist sozusagen nichts weiter als eine notwendige aber vollkommen unbegründete (sprich ohne realphysikalische Anschauung) Quantenzahl, die im Rahmen der herrschenden Physik rein mathematisch generiert wird (vierkomponentiges Dirac-Spinorfeld mit vier Dirac-Matrizen).

Um möglichen Mißinterpretationen („Nicht-SM-Eingeweihter“) vorzubeugen, sei darauf hingewiesen, daß sowohl der von der Theorie geforderte Betrag des Spinwertes des Elementarteilchens »Quark« als auch der resultierende aus 3 Quarks zusammengesetzte Betrag des Spinwertes des Protons gemäß SM ½ betragen soll.

SM -"Begründung": …”The proton is, like each of its quarks, a spin ½ particle. Therefore, it was assumed that two of the quarks have their spins parallel to the proton's and the spin of the third quark is opposite.”…Quelle: (Proton spin crisis)

Besonders im Vergleich mit dem was 2016 vom SM propagiert wird, siehe exemplarisch Physicists zoom in on gluons' contribution to proton spin

Down-quark d Spin ½ electric charge - 1/3e

Up-Quark u ½ Spin electric charge + 2/3e

Proton down + up + up Spin ½ electric charge +1e

Werner Heisenberg folgerte 1932 das Proton und Neutron zwei Zustände ein und desselben Teilchens des Nukleons sind. Zur Unterscheidung wurde der Isospin eingeführt. Die z-Komponente des Isospins des Neutrons beträgt - ½, die des Protons + ½. Diese stehen im Quark-Modell für die beiden Quarks up-Quark I_z = ½ und down-Quark I_z = - ½. Für Antiquarks ändert sich das Vorzeichen von I_z.

Die Quarks s(trange), c(harme), b(eauty) und t(op) tragen keinen Isospin.

Der Isospin ist eine Eigenschaft aller Elementarteilchen mit starker Wechselwirkung. Das Photon und die Leptonen (Elektron, Myon, Neutrino) haben keinen Isospin. Die Eigenschaft ,,Isospin" läßt sich jedoch nicht durch einen einfachen Zahlenwert darstellen, sondern ist eine gequantelte Größe mit drei Komponenten, die sich wie die Komponenten eines Vektors verhalten. Dies ist allerdings kein Vektor im gewöhnlichen physikalischen Raum, sondern ein Vektor in einem abstrakten ,,Isospinraum" oder ,,I-Raum". Da alle Elementarteilchen und Systeme aus ihnen aber auch einen charakteristischen wirklichen Quantenvektor mit sich tragen, ihren ,,Spin", ergibt sich eine formale Analogie des Isospins mit diesem Spin. Über diese formale Verwandtschaft hinaus hat der Isospin mit dem Spin nichts zu tun.

Bedeutet allgemeiner: Quantisierte Eigenschaften werden hier durch innere Symmetrien charakterisiert und haben nichts mehr mit Eigenschaften im üblichen Sinne gemeinsam, die als den Dingen inhärente physische Qualitäten aufgefasst werden können. Der Isospin der Nukleonen oder die »Farbe« der Quarks drücken überhaupt keine Qualitäten in diesem Sinne mehr aus, sondern nur noch beliebig festgelegte Basiszustände beziehungsweise Richtungen in einem abstrakten Raum, die durch Symmetrietransformationen aufeinander bezogen werden.

Weiterführendes aus "Systemsicht" (Schwacher Isospin, Gell-Mann-Nishijima-Formel, Hyperladung, Schwache Hyperladung) anschaulich erklärt, siehe exemplarisch „…Physik für Alle“