Physikalische Grundlagen der Hadronenphysik

 

Experimentelle Ziele

Experimente in der Hadronenphysik haben das präzise Vermessen der aus Quarks zusammengesetzten Systeme und hierauf basierend das Studium der beteiligten fundamentalen Teilchen und Kräfte zum Ziel.

Das Forschungsprogramm des PANDA-Experiments beinhaltet u.a. den Nachweis und die Vermessung von bisher nicht beobachteten, im Rahmen der Theorie der starken Wechselwirkung vorhergesagten exotischen Teilchen, z.B. Glueballs und Hybride. Über das Studium von verschiedenen zusammengesetzten Quarkssystemen (insbesondere Charmonium) und deren Produktions- und Zerfallsmechanismen soll weiterhin die schwache und die starke Wechselwirkung untersucht werden. Weitere Punkte beinhalten Untersuchungen zur inneren Struktur von Hadronen und die Eigenschaften von Hadronen in Materie.

Details zu diesen Schwerpunkten werden auf dieser Seite (Grundbegriffe) und der folgenden Seite (Forschungsprogramm) zusammengefasst.

 

Aufbau der Materie und Größenordnungen

Zwischen den größten Strukturen im Universum wie Galaxien (1021 m) bis hin zu den elementaren Teilchen (10-18 m) liegen 40 Größenordnungen.

Die Kernbausteine (Nukleonen) eines Atoms, das Proton und das Neutron, sind nicht elementar, sondern setzen sich ihrerseits aus Quarks zusammen. Nach heutigem Kenntnisstand besitzen die Quarks selbst keine weitere Substruktur. Die negativ geladenen Bestandteile der Atomhülle, die Elektronen, gehören zur Gruppe der Leptonen, und sind ebenfalls elementare Teilchen.

 

Elementarteilchen

Es wird zwischen mehreren Gruppen von fundamentalen Teilchen unterschieden: Quarks, Leptonen und Eichbosonen. Von den beiden erstgenannten Gruppen existieren jeweils sechs verschiedene Teilchen, die sich u.a. in ihrer Masse und der elektrischen Ladung unterscheiden. Zu jedem Teilchen gibt es ein entsprechendes Antiteilchen mit entgegengesetzten Eigenschaften (z.B. eine umgekehrte elektrische Ladung), aber mit gleicher Masse. Aus Mitgliedern dieser Teilchengruppen setzt sich die bekannte stabile und instabile Materie zusammen. Die dritte Gruppe enthält Teilchen, die die fundamentalen Wechselwirkungen vermitteln.

Für die Masse wird hierbei die in der Hadronenphysik gebräuchliche Einheit Elektronenvolt (eV/c2) verwendet. Ein MeV/c = 1.000.000 eV/c2 entspricht umgerechnet 1,8x10-30 kg. Die Ladung ist als Vielfaches der Elementarladung e=1,6x10-19 C angegeben. Im Falle der Neutrinos sind zur Zeit nur obere Grenzen für die Massenwerte bekannt.


 

Die vier Wechselwirkungen

Bei den fundamentalen Wechselwirkungen handelt es sich um die Gravitation sowie die elektromagnetische, die schwache und die starke Wechselwirkung. Die Übertragung erfolgt durch den Austausch von Mittlerteilchen, den sogenannten Eichbosonen, die an entsprechende Ladungen an den Elementarteilchen koppeln.

Die Gravitation, bekannt auch als Schwerkraft, dominiert in der alltäglichen Erfahrung aufgrund ihrer Nichtabschirmbarkeit und der unendlichen Reichweite, ist aber in der Teilchenphysik aufgrund der vergleichsweise sehr geringen Stärke nicht von Bedeutung. Es ist auch noch nicht gelungen, die Schwerkraft in einer vereinheitlichten Theorie zusammen mit den anderen Kräften zu beschreiben.

Die elektromagnetische Wechselwirkung vermittelt Kräfte zwischen elektrisch geladenen Teilchen. Das entsprechende Mittlerteilchen ist das Photon, das auch als Quant der elektromagnetischen Strahlung (z.B. Licht, Mikro- und Radiowellen, Röntgenstrahlung) bekannt ist. Diese Kraft ist für den Zusammenhalt von Molekülen und die Bindung der Elektronenhülle an den Atomkern verantwortlich.

 

Teilchenzerfälle, z.B. der radioaktive β-Zerfall eines Neutrons, finden unter dem Einfluss der schwachen Wechselwirkung statt. Mittlerteilchen sind die W- und Z-Bosonen.

Die starke Wechselwirkung wirkt zwischen Teilchen mit starker Ladung (der sogenannten Farbladung) und ist u.a. für den inneren und äußeren Zusammenhalt der Kernbausteine eines Atoms verantwortlich. Es handelt sich dabei um die stärkste der vier Kräfte - daher existieren z.B. stabile Atomkerne, obwohl diese mit den Protonen positiv geladene Nukleonen, die sich gegenseitig abstossen, enthalten. Da die Reichweite dieser Kraft nur einen Atomdurchmesser beträgt (10-15 m = 1 Femtometer), wird sie in der Alltagswelt nicht direkt wahrgenommen. Die Wechselwirkung findet über den Austausch von Gluonen statt.

 

Farbladung

In der Physik entsprechen Farben Wellenlängen. Weil Licht je nach Wellenlänge unterschiedlich stark gebrochen wird, entsteht ein Regenbogen wenn Sonnenlicht auf Regentropfen oder ein Prisma fällt.

Unsere Farbwahrnehmung ist aber anders: Rot und violett sind keine Endpunkte des Farbspektrums über orange, gelb, grün und blau sondern auch durch einen Farbverlauf verschiedener lila Nuancen miteinander verbunden, so dass sich der Kreis schließt.

Wir können nicht zwischen Licht einer einzigen Wellenlänge oder Mischungen mehrerer Wellenlängen unterscheiden. Darum ist es möglich im Drucker mit lediglich den drei Farben cyan, magenta und gelb beliebige Farben zu erzeugen. Bei Bildschirmen werden die Farben durch rote, grüne und blaue Leuchtpunkte erzeugt. Leuchten alle drei gleich hell, entsteht der Eindruck von weißem Licht.

     

Dieses Prinzip, dass drei verschiedene Ausprägungsformen sich gegenseitig neutralisieren, hat den Begriff der Farbe in die Physik der starken Wechselwirkung gebracht, wo er gar nichts mehr mit der Wellenlänge von Licht zu tun hat. Die starke Wechselwirkung sorgt dafür, dass Protonen und Neutronen Atomkerne bilden, obwohl sich die positiv geladenen Protonen gegenseitig elektrisch abstoßen.

Protonen und Neutronen bestehen jeweils aus einem roten, einem grünen und einem blauen Quark, die ihrerseits ebenfalls durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten werden. Mit Hilfe von Beschleunigern ist es möglich auch Antiquarks zu erzeugen, deren Farben antirot, antigrün oder antiblau genannt werden.

   

Auch die Kombination von einem Quark und einem Antiquark mit der entsprechenden Antifarbe oder dreier Antiquarks mit verschiedenen Antifarben sind farbneutral und werden beobachtet. Bis heute wurde noch kein einzelnes Quark beobachtet, sondern immer nur mehrere Quarks in einem Verbund, so dass sich die Farben gegenseitig neutralisieren.

Ein Quark (oder Antiquark) kann seine Farbe ändern, indem es ein Gluon abstrahlt, das die ursprüngliche Farbe und die zur neuen Farbe des Quarks passende Antifarbe hat. Ein Quark kann auch ein Gluon aufnehmen, was ebenfalls zu einer entsprechenden Farbänderung führt. Auch das Gluon selbst kann ein Gluon abstrahlen oder auch aufnehmen, so lange die Farbe oder Antifarbe passen, und dadurch seine Farbe oder Antifarbe verändern. Es ist sogar möglich, dass ein Gluon ein Quark und ein Antiquark erzeugt, welche die Farbe und Antifarbe des Gluons haben, und sich nach kürzester Zeit wieder in ein Gluon umwandeln.

Solche Farbumwandlungen finden auch die ganze Zeit innerhalb eines jeden Protons und Neutrons statt und tatsächlich entsteht etwa 98% ihrer Masse durch diese Prozesse und nur 2% stammen von der Masse der drei Quarks. Wie genau das funktioniert ist ein aktuelles Forschungsthema in der Physik.

Die mit Beschleunigern erzeugten Systeme aus farbneutralen Quark(-Antiquark)-Kombinationen zerfallen in kurzer Zeit in die normalen uns umgebenden Teilchen. Durch die Untersuchung dieser Zerfälle ist es möglich, Erkenntnisse über die starke Wechselwirkung zu erlangen.

 

Hadronen

Aus Quarks zusammengesetzte Teilchen werden generell Hadronen genannt. Man unterscheidet zwischen Baryonen (bestehen aus 3 Quarks, z.B. die Nukleonen Proton und Neutron) und Mesonen (aufgebaut aus einem Quark-Antiquark-Paar, z.B. das aus der Höhenstrahlung bekannte Pion). Der Zusammenhalt der Bausteine erfolgt über die starke Wechselwirkung durch den Austausch von Gluonen, die an die Farbladung, die jedes Quark zusätzlich zur elektrischen Ladung trägt, koppeln. Die innere Struktur der Hadronen ist jedoch weit komplizierter als in dieser schematischen Darstellung mit den sogenannten Konstituentenquarks (vgl. die Abbildung des Nukleons weiter oben), da auch der Beitrag weiterer Gluonen zu berücksichtigen ist sowie kurzzeitig entstehende und sich wieder vernichtende zusätzliche Quark-Antiquark-Paare (Seequarks).

 

 

Exotische Materie

Theoretische Modelle sagen weiterhin die mögliche Existenz sogenannter exotischer Materie voraus, die eine andere Zusammensetzung als Baryonen oder Mesonen aufweisen.

Hierzu zählen z.B. Gluebälle: Da die Gluonen auch selbst Farbladungen tragen, ist im Gegensatz zu den neutralen Photonen zusätzlich eine Selbstwechselwirkung dieser Mittlerteilchen möglich. Dies ermöglicht Zustände, die keinen Quarkanteil besitzen, sondern rein aus Gluonen bestehen. Bei den Hybriden handelt es sich um Quark-Antiquark-Paare mit einer zusätzlichen gluonischen Anregung.  Tetra- und Pentaquarks setzen sich aus zwei Quark-Antiquark-Paaren bzw. vier Quarks und einem Antiquark zusammen. Molekülartige Zustände schließlich sind schwach gebundene Hadronenpaare.