Analyse von Teilchenwechselwirkungen

Wenn ein Teilchen zerfällt oder ein Atomkern zertrümmert wird, dann entstehen neue Teilchen oder auch Kerne, die weiteren Umwandlungen unterliegen können. Will man die ursprüngliche Struktur des Teilchens oder Kerns rekonstruieren, muss man deren Zerfallsprodukte betrachten. Eine Strukturaufklärung des 'Teilchenzoos' setzt also eine umfangreiche und exakte Analyse der Daten voraus, die von der experimentellen Teilchenphysik in Jahrzehnten zusammengetragen wurden. Nur auf diesem Wege ist es möglich, die Strukturen aller realen, d.h beobachteten Teilchen und Atomkerne Schritt für Schritt zu ermitteln. Begonnen wird mit einer Analyse der Wechselwirkung zwischen Proton und Anti-Proton.

In der Abbildung ist der schrittweise Ablauf der Wechselwirkung zwischen Proton und Antiproton dargestellt. Die Ergebnisse der experimentellen Physik sind als sehr zuverlässig eizuschätzen; deren Analyse sollte genauso zuverlässigen Aussagen über die Struktur der Ausgangsteilchen erlauben. Im der Reaktion entstehen mit 90%iger Zuverlässigkeit insgesamt sechs Teilchen, vier geladene Pionen und je ein Elektron und Positron. Das äußerst kurzlebige ω⁰ und das kurzlebige π⁰ sind Zwischenschritte des Zerfalls. Zunächst fällt auf, dass nie eines der erwünschten 'Quarks' beobachtet wurde, obwohl Proton und Antiproton aus je drei 'Quarks' bestehen sollen. Beide Teilchen werden gezielt für den Nachweis der 'Quarks' eingesetzt.

Mit gestrichelten Pfeilen ist die Rückverfolgung der Teilchen dargestellt. Das singuläre Elektron und Positron müssen als Ladungsträger dem Antiproton und dem Proton zugeordnet werden. Elektron und Positron befinden sich hierbei in einem Bindungszustand, das heißt, sie sind angeregt (üblicherweise mit einem ^* gekennzeichnet) und nicht in ihrem Grundzustand. Die vier geladenen Pionen sind jeweils paarweise auf beide Teilchen zu verteilen. Beim Aufeinandertreffen von Proton und Antiproton entsteht durch Übergang eines Ladungsträgers zu einem entgegengesetzt geladenen Proton ein Omega 782. Die Abgabe des bindenden Ladungsteilchens führt zum sofortigen Zerfall eines Protons unter Freisetzung von zwei Pionen. Das Omega zerfällt etwas zeitversetzt in zwei geladene Pionen und ein ungeladenes, welches wiederum in Elektron und Positron zerfällt. Bei dieser Wechselwirkung kann der Ladungsübergang vom Proton zum Antiproton als auch vom Antiproton zum Proton gleichhäufig stattfinden.

Die auf analytischem Wege ermittelte Struktur des Protons lässt wichtige Aussagen zu:

• Das Proton besteht aus drei Subteilchen, was durch inelastische Elektronenstreuversuche bereits 1962 nachgewiesen wurde. Diese Subteilchen sind genau jene Teilchen, die auf grund ihrer Häufigkeit sehr zeitig entdeckt wurden.
• Die Ladung des Protons wird durch ein Positron* im Bindungszustand verursacht. Deshalb entspricht die Ladung des Protons genau der Elementarladung. Das gilt analog auch für das Anti-Proton.
• Den größten Anteil an der Masse des Protons vereinigt das Paar geladene Pionen (π⁺ π⁻) auf sich. Dieses Pionenpaar wird hier als "Masseteilchen" definiert. Es ist strukturbestimmend auch in allen Kernen.
  
• Geladene, ungepaarte Teilchen in der Teilchenstruktur bewirken offensichtlich Stabilität. Im Falle der Protonen sind Myonen die stabilisierenden Ladungsteilchen.
  
• Die praktisch bei allen Teilchenreaktionen beobachtbaren Myonen (1936 entdeckt) und Pionen (1947) sind strukturelle Bausteine schwerer Teilchen und Atomkerne. Es sind nicht nur kurzzeitg erscheinende "Austauschteilchen" im Sinne Yukawas, denen lediglich eine stabilisierende Funktion zukommt. Die noch folgende Analyse der Atomkerne zeigt, dass Pionen die häufigsten Teilchen im strukturellen Aufbau sind. Ihre Austauschbarkeit in der Kernstruktur nach bestimmten Regeln ist eine Ursache der relativen Stabilität von Kernen.

Die Gegenüberstellung der Strukturen von Proton und Antiproton zeigt, dass ein Teilchen und sein Antiteilchen einen inversen strukturellen Aufbau besitzen. Es wird ebenfalls deutlich, dass die Dualität von Elektron und Positron die Ursache für die Ausbildung inverser Strukturen und damit für die Dualität von Materie und Antimaterie ist. Das zeigt auch die noch folgende Strukturanalyse weiterer Teilchen. Eine von den Theorien definierte "Anti-Eigenschaft" von Quarks und anderer Teilchen ist nicht erkennbar.

Die Konsequenzen dieser Erkenntnisse (Nichtexistenz von Quarks, Unmöglichkeit einer 'Quark-Ära' nach dem fiktiven 'Urknall' usw.) haben erhebliche Konsequenzen auch für die Kosmologie: Das Bild des Universums, wie es die Physik gegenwärtigt zeichnet, ist nicht aufrechtzuerhalten. Darauf wird später noch eingegangen.

Wenn ein Teilchens entsteht, so hat das konkrete Ursachen

Man kann den Weg der Teilchen, wie sie beispielsweise bei der Proton-Antiproton-Reaktion entstehen, zurückverfolgen. Teilchen entstehen nicht zufällig, sonderen ihre Existenz und ihr Entstehen hat konkrete Ursachen. Analysiert man also die Zerfälle und Wechselwirkungen von Teilchen, erhält man mit den Informationen über ihren Ursprung auch Informationen über die Struktur der Ausgangsteilchen.

Das Resultat der Proton-Antiproton-Reaktion ist zu etwa 90% reproduzierbar. Das ist für Teilchenreaktionen eine hohe Konstanz des Ergebnisses. Man muss in Betracht ziehen, dass die bei Teilchenreaktionen umgesetzten Energien sehr hoch sind und deshalb einerseits im Reaktionsablauf zusätzliche Teilchen entstehen können, andererseits aber auch durch Annihilation Teilchen sozusagen 'verschwinden'. Im Gegensatz zu chemischen Reaktionen bleibt die Stöchiometrie bei Teilchenreaktionen sehr oft nicht gewahrt.