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Jüngste Entwicklungen

Durch den Austausch von Quarks lässt sich die Größe eines Atomkerns verringern. Eines der ersten Experimente hierzu gelang japanischen Kernphysikern im Frühjahr 2001. Die Forscher modifizierten hierbei den Kern eines Lithiumatoms, der sich aus drei Protonen und vier Neutronen zusammensetzt. Nach dem Pauli-Prinzip können in einem Atomkern maximal zwei Neutronen oder zwei Protonen den niedrigsten Energiezustand einnehmen. Die verbleibenden Nukleonen verteilen sich (jeweils paarweise) auf höhere Energieniveaus und machen den Atomkern größer. Ein Neutron besteht aus einem up-Quark und zwei down-Quarks. Die japanischen Physiker tauschten bei einem Neutron des Lithiumkerns ein down-Quark gegen ein strange-Quark aus, wodurch aus dem Neutron ein Lambda-Null-Teilchen entstand. Im Gegensatz zu Proton und Neutron folgt das Lambda-Null-Teilchen nicht dem Pauli-Prinzip und kann einen Platz auf dem niedrigsten Energieniveau im Kern einnehmen: Dadurch schrumpft die Größe des Kerns. Die Kernphysiker konnten beim Lithiumkern eine Verkleinerung um 20 Prozent feststellen.

Die Existenz von Teilchen aus fünf Quarks wird schon seit Ende der siebziger Jahre des 20. Jahrhunderts diskutiert. „Normale” Teilchen, wie z. B. das Neutron oder das Proton, setzen sich aus jeweils drei Quarks zusammen; Mesonen bestehen aus jeweils zwei Quarks. Die 2003 erzeugten „Pentaquarks” setzen sich offenbar aus zwei Up- und zwei Down-Quarks sowie einem Anti-Strange-Quark zusammen und sind erwartungsgemäß 5/3-mal schwerer als Protonen. Die Forschungsergebnisse lassen allerdings auch den Schluss zu, dass diese exotischen Gebilde keine Elementarteilchen sind, sondern eine eher molekülartige Form aufweisen, bestehend aus einem Neutron und einem positiv geladenen Kaon. Zur Klärung sind hier weitere Forschungen notwendig.