Farbspiele in der Quantenwelt

Das Handwerkszeug moderner Kernphysiker ist keine graue Theorie: Zwischen „farbigen“ Quarks wirkt die Starke Kraft, die sich Physiker über den Austausch „bunter“ Gluonen vorstellen. Daraus entstehen dann zusammengesetzte Objekte wie Protonen, Atomkerne und schließlich auch wieder Kernphysiker.

Vier Kräfte reichen dem Physiker, um die Vielfalt unserer Welt zu beschreiben: Die Schwerkraft hält uns mit den Füßen auf der Erde. Die elektromagnetische Kraft sorgt dafür, dass sich Elektronen um Atomkerne und durch Stromleitungen bewegen. Die Schwache Kraft lässt Atomkerne auseinander fallen, die es dank der Starken Kraft überhaupt erst gibt.

Die Starke Kraft sorgt dafür, dass sich aus Quarks und Gluonen zusammengesetzte Objekte wie Protonen, Neutronen und Atomkerne bilden. Ihre Stärke ist dabei unübertroffen, sie ist hundertmal größer als die der elektromagnetischen Kraft. Daher überwindet sie auch spielend die elektromagnetische Abstoßen von Quarks mit gleicher elektrischer Ladung. Und auch positiv geladene Protonen haften ihretwegen zu Atomkernen zusammen.

Die Eigenschaft „Farbe“

Quarks und Anti-Quarks

Um die Starke Wechselwirkung zu beschreiben, haben sich der Amerikaner Murray Gell-Mann und der deutsche Physiker Harald Fritzsch 1972 ein Regelwerk mit Namen Quantenchromodynamik (QCD) ausgedacht. Der Name bedeutet soviel wie Quantenfarbbewegungslehre. Denn alle stark wechselwirkenden Teilchen besitzen seit 1965 eine „Farbe“. Das ist nicht wörtlich zu nehmen. Denn Quarks sind natürlich nicht wirklich farbig. Die Farbe kam 1964 ins Spiel, als Physiker den gerade erfundenen Quarks eine weitere Eigenschaft geben mussten, um sie besser auseinanderhalten zu können. Seitdem gibt es Quarks in Rot, Grün und Blau. Für die Antiteilchen der Quarks stehen Anti-Rot (Cyan), Anti-Grün (Magenta) und Anti-Blau (Gelb) zur Verfügung.

Gluonen

Nach der Quantenchromodynamik halten farbige Quarks über den Austausch von Gluonen (englisch to glue: kleben) zusammen. Ganz so, wie zwischen elektrischen Ladungen die elektrische Kraft wirkt, sind bei der Starken Kraft die Farbladungen am Zug. Gluonen sind ebenfalls farbgeladen; sie sind sogar zweifarbig, besitzen eine Farbe und eine Antifarbe. Nach der Quantenchromodynamik kann nun ein rotes Quark blau werden, indem es ein rot-antiblaues Gluon an ein blaues Quark aussendet, das daraufhin rot wird. Die beiden Teilchen haben die Farbe getauscht und stark miteinander gewechselwirkt. Die Änderung der Bewegung, die sich bei diesem Vorgang außerdem ereignet, sorgt dafür, dass die Quarks nicht auseinander treiben, sondern zusammenhaften. 1979 konnte die Existenz der Gluonen bei DESY in Hamburg bestätigt werden.

Das Standard-Modell kennt acht Gluonen

Nicht nur bei der Stärke ist die Starke Kraft Spitze, auch bei der Anzahl der Kraftteilchen. Die elektromagnetische Kraft wird über den Austausch einer Photonenart beschrieben. Die Schwache Wechselwirkung erfolgt über den Austausch von drei unterschiedlichen Teilchen: dem W-Plus, dem W-Minus und dem Z-Null. Bei der Starken Kraft sind acht unterschiedliche Gluonen am Werk.

Diese Vielzahl kommt zustande, weil man alle Farb-Antifarb-Kombinationen berücksichtigen muss. Bei drei Farben und drei Antifarben sollte man meinen, dass es neun Gluonen sind. Weil die Kombinationen Rot-Antirot, Grün-Antigrün und Blau-Antiblau aber „Weiß“ ergeben, spielen sie in der Quantenchromodynamik keine Rolle.

Gebundene Quarks

Eine der mysteriösesten Eigenschaften der Starken Kraft ist, dass Quarks und Gluonen nicht als völlig freie isolierte Teilchen in der Natur existieren können; vielmehr treten sie stets in Gruppen auf: als Verbindungen mit anderen Quarks, Antiquarks und Gluonen. Sie bilden dann Quark-Dreiergespanne wie die Protonen und Neutronen oder kurzlebige Quark-Antiquark-Verbindungen, die den Namen Meson tragen.

Dieses Phänomen trägt den wissenschaftlichen Namen Confinement (Einkerkerung). Es liegt darin begründet, dass die Starke Kraft immer stärker wird, je weiter man die zwei Quarks voneinander entfernt. Wenn man zwei gebundene Quarks dennoch noch weiter auseinander treibt, steckt man in die Starke Verbindung zwischen diesen Teilchen so viel Energie, dass mühelos neue Quarks aus dieser Energie entstehen, falls das Band reißt. Aus einer Quarkgruppe erhält man auf diese Weise zwei.

Starke Kraft – kurze Reichweite

Wenn die Starke Kraft so stark ist, wieso spüren wir dann nicht mehr von ihr im Alltagsleben? Wieso kleben wir nicht an einem Stuhl fest, der doch auch aus Quarks besteht? Wieso können wir von einer Person wieder lassen, der wir soeben die Hand geschüttelt haben? Des Rätsels Lösung liegt in der geringe Reichweite der Starken Kraft: Sie wirkt nur über Entfernungen, die rund einem Hunderttausendstel der Ausdehnung eines Atomkernes entsprechen. Was jenseits liegt, spürt sie nicht.

Woher kommt die Masse?

Ohne die Quantenchromodynamik (QCD) würden nicht nur die Atomkerne in Ihrem Inneren auseinander brechen, Sie wären auch ziemlich leicht. Denn nur wenige Prozent der Masse gewöhnlicher Materie gehen auf die Quarks im Inneren der Atomkerne der Atome der Moleküle der Zellen der Organe Ihres Körpers zurück. Da Elektronen noch viel leichter sind, machen sie den Braten auch nicht fett. Der ganze Rest wird durch die QCD-Wechselwirkung erzeugt. Zwar sind Gluonen masselos, sie besitzen aber eine Energie und die macht sie nach der Relativitätstheorie schwer.

Physikern ist es gelungen, weitgehend aufzuklären, wie über die QCD-Wechselwirkungen Masse erzeugt wird. So ließen sich Vorhersagen machen, wie sich die Masse von Hadronen ändert, wenn sie in Kernen oder bei einer Kern-Kern-Kollision in einem Beschleuniger erzeugt werden. Erste Experimente scheinen diese Vorstellungen zu stützen, aber erst verbesserte, gegenwärtig laufende und zukünftig geplante Experimente werden diese theoretischen Vorhersagen zweifelsfrei bestätigen oder widerlegen können.