Fragestellungen der modernen Hadronen- und Kernphysik

Unser heutiges Wissen über die Quarks und die zwischen ihnen wirkende Starke Kraft, über die Struktur der Hadronen und den Aufbau der Atomkerne hat entscheidend zu unserem modernen Weltbild beigetragen. Doch die Suche geht weiter. Bei der Erforschung der fundamentalen Kräfte zwischen den elementaren Bausteinen der Materie stoßen wir auf viele grundlegende, noch offene Fragen.

Wir haben heute eine Vorstellung von der Entwicklung des Universums kurz nach dem Urknall, von der Entstehung der Elemente im Inneren der Sterne bis zur Geburt von Neutronensternen in Supernovae. Doch die neuen Erkenntnisse brachten auch neue Fragen. Ein wichtiger Fragenkomplex betrifft den Aufbau der Hadronen aus Quarks und Gluonen und die Kräfte zwischen diesen Elementarteilchen. Eine in der Teilchenphysik einzigartige Eigenschaft ist das sogenannte Confinement der Quarks im Innern der Nukleonen. Die wesentlichen offenen Fragen sind:

Warum lassen sich keine isolierten Quarks beobachten? 

Warum sind die Hadronen so viel schwerer als die Summe ihrer Bestandteile? 

Wie setzt sich der Eigendrehimpuls des Protons aus den Drehimpulsen der Quarks und Gluonen zusammen?

Quarks im Verbund

Von fundamentaler physikalischer und kosmologischer Bedeutung ist die Entwicklung des frühen Universums, das kurz nach dem Urknall aus einer Art Quark-Gluon-Plasma bestand, in dem sich die masselosen Quarks und Gluonen frei bewegten. Im darauf folgenden Phasenübergang kondensierten die Quarks und Gluonen zu Nukleonen und waren fortan darin gefangen. Zentrale Fragestellungen sind hier:

Lässt sich ein Plasma aus Quarks und Gluonen herstellen durch Kollisionen schwerer Atomkerne bei sehr hohen Energien?

Welche Eigenschaften hat diese aus Elementarteilchen bestehende Materie?

Kann man Phasenübergänge ähnlich dem im frühen Universum im Labor studieren?

Gibt es weitere exotische Phasen von Kernmaterie?

Die Vielfalt der Atomkerne entsteht noch heute durch Kernreaktionen im Innern von Sternen oder in Sternexplosionen, den Supernovae. Welche Kernreaktionen an dieser Nukleosynthese beteiligt sind und welche Rolle die instabilen Atomkerne dabei spielen, ist Gegenstand aktueller Forschung. Ungeklärte Fragen in diesem Zusammenhang sind:

Gibt es superschwere Elemente, und wenn ja, welche Eigenschaften haben sie?

Bis zu welcher Größe sind Atomkerne noch stabil und was verrät die Grenze der Stabilität über die Kräfte in den Atomkernen?

Wie sind die uns bekannten schweren Atomkerne entstanden und welche instabilen Atomkerne sind an der Synthese der schweren Elemente beteiligt?

Welche Eigenschaften haben diese instabilen Atomkerne?

Wenn ein massereicher Stern am Ende seiner Entwicklung als Supernova explodiert, bleibt häufig ein kompakter Neutronenstern übrig. Im Zentrum eines solchen Neutronensterns herrschen unvorstellbar extreme Bedingungen. Der Gravitationsdruck komprimiert die Materie bis zur zehnfachen Dichte eines Atomkerns. Unter diesen Umständen hat Materie von der Größe eines Stück Würfelzuckers eine Masse von fast drei Milliarden Tonnen. Der zeitliche Ablauf einer Supernova und die inneren Eigenschaften des entstehenden Neutronensterns hängen vom Verhalten der Kernmaterie in Abhängigkeit von Druck und Temperatur ab. Physiker sprechen hier von der nuklearen Zustandsgleichung. Man vermutet, dass sich die Nukleonen bei sehr hohen Drücken in nahezu masselose Quarks auflösen. Die wesentlichen Fragen sind hier:

Wie reagiert Kernmaterie auf Erhöhung des Druckes oder der Temperatur?

Kann man Materiedichten wie im Zentrum eines Neutronensterns in Kollisionen schwerer Atomkerne erzeugen?

Wie verändern sich die Eigenschaften von Hadronen in dichter Kernmaterie? 

Neutronenstern im Krebsnebel

Ein faszinierender Fragenkomplex betrifft die Symmetrien und ihre Verletzungen in der Natur. Als sich nach dem Urknall Energie in Materie verwandelte und diese wieder zurück in Energie, ereignete sich eine fundamentale und noch unverstandene Symmetrieverletzung, die letztlich die Ursache unserer Existenz ist: 

Warum haben sich nach dem Urknall Materie und Antimaterie nicht vollständig vernichtet? 

Was ist der Unterschied zwischen Materie und Antimaterie?

Die hochpräzise Messung von Symmetrieverletzungen ist ein viel versprechender Ansatz zur Suche nach neuen physikalischen Gesetzmäßigkeiten jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik. Hadronen und Kerne bieten als Mikrolaboratorien, die von äußeren Einflüssen weitgehend ungestört sind, die einzigartige Möglichkeit solche Präzisionsmessungen durchzuführen. All diese Fragenstellungen werden in Experimenten an Teilchenbeschleunigern des Forschungszentrums CERN, am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, am Forschungszentrum Jülich und an verschiedenen Universitäten mit Elektronen, Protonen, Antiprotonen oder Schwerionen untersucht.

Wissenschaftlicher Fortschritt erfordert neben neuen experimentellen Ergebnissen auch neue theoretische Erkenntnisse, die zunehmend mithilfe modernster Computertechnologie gewonnen werden. Neben den existierenden Forschungseinrichtungen wird vor allem die zukünftige Beschleunigeranlage FAIR in Darmstadt mit ihrer breiten Palette an intensiven Teilchenstrahlen, neuartigen Experimentiereinrichtungen und einem energieeffizienten Hochleistungsrechenzentrum neue exzellente Forschungsmöglichkeiten auch auf dem Gebiet der Hadronen- und Kernphysik bieten.