Quantenchromodynamik

Quantenchromodynamik, physikalische Theorie, mit der die starke Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen beschrieben wird.

Die Quantenchromodynamik ist, wie die Quantenelektrodynamik, eine relativistische Quantenfeldtheorie, die die quantenmechanische Unschärferelation ebenso berücksichtigt wie die relativistischen Grundsätze der Äquivalenz von Masse und Energie und der Lichtgeschwindigkeit (siehe Licht) als eine konstante Größe. Die Quantenchromodynamik ist eine Eichtheorie mit den Gluonen als Übermittlern der starken Wechselwirkung und den Quarks als den fundamentalen Bausteinen stark wechselwirkender Materie. Die zwischen den Quarks wirkenden starken Kräfte bezeichnet man in der Teilchenphysik auch als Farbkräfte – der Name Quantenchromodynamik enthält das griechische Wort chromos (Farbe). Diese Kräfte zählen zu den stärksten Wechselwirkungen, die jemals in der Natur beobachtet wurden, und sind vom Abstand zwischen den Quarks abhängig. Farbkräfte wirken nur zwischen den so genannten Farbladungen, welche die Teilchen tragen. (Farbladungen haben eine gewisse Ähnlichkeit mit den elektrischen Ladungen.)

Die Quantenchromodynamik besitzt eine sehr komplexe Struktur, da nicht nur die Quarks die genannten Farbladungen tragen, sondern auch die Gluonen diese aufweisen. Im Fall der Quarks handelt es sich um die Farbladungen Rot, Grün und Blau sowie Antirot, Antigrün, Antiblau für die Antiquarks (siehe Antimaterie), während es bei den Gluonen acht verschiedene Farbladungen sind. Zu den fundamentalen Prozessen der Quantenchromodynamik zählen u. a. die Emission und Absorption von Gluonen durch Quarks. Diese Prozesse laufen im Grundprinzip ähnlich ab wie die entsprechenden Vorgänge, die in der Quantenelektrodynamik auftreten. Darüber hinaus können aufgrund ihrer Farbladungen Gluonen sich gegenseitig erzeugen und vernichten.

Man nimmt an, dass die reiche Farb-(Chromo-)Dynamik zu dem neuartigen Phänomen des „Confinement”, des Farbeinschlusses, führt. Danach sind Teilchen, die eine Farbladung tragen, nicht direkt beobachtbar. Diese Eigenschaft trägt der bisher erfolglos verlaufenen experimentellen Suche nach Quarks oder Gluonen Rechnung. Das Prinzip des Confinement liegt auch dem Aufbau der Hadronen aus Quarks zugrunde. Die Farbladung eines Quarks kann neutralisiert werden durch die Ladung des zugehörigen Antiteilchens, des Antiquarks. Auf diese Weise kann die Struktur der beobachteten Mesonen, z. B. der Pionen, verstanden werden. Baryonen, wie das Proton oder Neutron, bestehen aus drei Quarks, deren Farbladungen sich gegenseitig wiederum neutralisieren. Die entsprechenden Antiteilchen bestehen aus drei Antiquarks. Somit führt das Confinement zu einer grundsätzlich neuen Art der Strukturbildung, in der zwar zusammengesetzte Objekte existieren, diese aber nicht in ihre Teile zerlegbar sind. Es ist bisher nicht gelungen, diese für das Verständnis der starken Wechselwirkung so wichtige Eigenschaft des Confinement aus den Grundgleichungen der Quantenchromodynamik herzuleiten. Hinweise auf den Confinement-Mechanismus ergeben sich aber aus numerischen Untersuchungen zur Quantenchromodynamik. In diesen Studien wird die Quantenchromodynamik auf hoch leistungsfähigen Computern simuliert; die erzielten Ergebnisse zu Massen und Struktur der Hadronen sind in qualitativer Übereinstimmung mit den experimentellen Beobachtungen.

Neben der Eigenschaft des Confinement besitzt die starke Wechselwirkung die Eigenschaft der „asymptotischen Freiheit”, nach der die Stärke der Wechselwirkung zwischen zwei Quarks oder Gluonen mit kleiner werdendem Abstand abnimmt (siehe Asymptote). Die starke Wechselwirkung ist somit ähnlich der Wechselwirkung, die in einem mechanischen System zweier oder mehrerer über eine Feder miteinander gekoppelter Teilchen besteht. Bei kleinen Abständen, bei denen die Feder nicht gespannt ist, sind die Teilchen nahezu frei beweglich; bei großen Abständen hingegen verhindert die Feder eine Trennung der miteinander gekoppelten Teilchen. Diese Eigenschaft der asymptotischen Freiheit konnte direkt aus den Gleichungen der Quantenchromodynamik hergeleitet und die damit verbundenen Konsequenzen untersucht werden. Entsprechend der Heisenberg’schen Unschärferelation ist es möglich, das Verhalten der starken Wechselwirkung bei kleinen Abständen in Reaktionen bei hohen Energien zu studieren. In Experimenten an verschiedenen Beschleunigern wurde in Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen die Abnahme der Stärke der Wechselwirkung mit zunehmender Energie nachgewiesen. Diese Experimente lieferten auch die Beweise für die Existenz der Quarks und Gluonen als Bestandteile der Hadronen. In Reaktionen von Elektronen und Protonen, die am SLAC (Stanford Linear Accelerator Center, Stanford University, Kalifornien) untersucht wurden, konnte die Verteilung der Quarks im Proton bestimmt werden. Die ersten direkten Hinweise auf die Existenz von Gluonen ergaben sich in Reaktionen, die am PETRA-Beschleuniger (Positron-Elektron-Tandem-Ring-Anlage) des DESY (Deutsches-Elektronen-Synchrotron, Hamburg) untersucht wurden. Bei der Zerstrahlung von Elektronen und ihren Antiteilchen, den Positronen, werden Gluonen erzeugt, die sich über ihre Zerfallsprodukte, eine Vielzahl hochenergetischer Hadronen, nachweisen lassen.

Es besteht heute kaum noch Zweifel an der Gültigkeit der Quantenchromodynamik als Theorie der starken Wechselwirkung. Quantitative Übereinstimmung mit dem Experiment innerhalb einiger Prozent konnte im Bereich der asymptotischen Freiheit erzielt werden; mit Fortschritten in der Entwicklung geeigneter numerischer Verfahren sollte eine Überprüfung im Bereich des Confinement mit ähnlicher Genauigkeit erreichbar sein. Dennoch ist die Quantenchromodynamik keineswegs in all ihren Konsequenzen für die Erscheinungen der starken Wechselwirkungen durchdacht und verstanden. So legt sie die Existenz von Teilchen nahe, die sich in ihrer Struktur wesentlich von den aus Quark und Antiquark oder aus drei Quarks bestehenden Hadronen unterscheiden. Allerdings hat die experimentelle Suche nach Teilchen, die überwiegend aus Gluonen bestehen oder mehr als drei Quarks enthalten, bisher zu keinem schlüssigen Ergebnis geführt. Weiterhin ist die Bedeutung der Dynamik der Quarks und Gluonen für den Aufbau der Atomkerne oder der Materie unter extremen Bedingungen, wie sie z. B. im Innern eines Neutronensternes (siehe Stern) herrschen, weitgehend unverstanden. Zu den spektakulärsten Vorhersagen der Quantenchromodynamik zählt die eines Übergangs von der dem Confinement unterworfenen Phase, in der nur Hadronen als physikalische Teilchen exisitieren, zu einer Phase, die aus den fundamentalen Quarks und Gluonen besteht. Der Verlust der durch das Confinement erzwungenen Ordnung ähnelt dem Verlust der kristallinen Struktur im Schmelzen von Eis. Aufgrund numerischer Simulationen erwarten Experten, dass dieser Phasenübergang bei einer Temperatur von etwa 2×10¹² Kelvin stattfindet – das entspricht etwa dem 100 000fachen der Temperatur im Zentrum der Sonne. Man nimmt an, dass sich dieser Phasenübergang in umgekehrter Richtung etwa eine millionstel Sekunde nach dem Urknall (siehe Kosmologie) ereignet hat. Der Überprüfung dieser Vorhersage und dem möglichen Nachweis dieser neuen Form der Materie sind gewaltige experimentelle Anstrengungen gewidmet. So sollen an dem eigens dafür gebauten Beschleuniger RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) in Brookhaven (USA) und an dem 2008 in Betrieb genommenen LHC (Large Hadron Collider) am CERN bei Genf Atomkerne auf Energien beschleunigt werden, die deren Ruheenergie um das 100- bzw. das 3 000fache übersteigen. In Zusammenstößen dieser hoch energetischen Atomkerne hofft man, Bedingungen, wie sie im kosmischen Phasenübergang geherrscht haben, zu erzeugen.

Siehe auch Physik