Starke Wechselwirkung

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Die starke Wechselwirkung, auch Farbkraft genannt, ist eine der vier Grundkräfte der Physik. Mit ihr wird die Bindung zwischen den Quarks in den Hadronen erklärt. Vor der Entdeckung des Yukawa-Potentials durch den japanischen Physiker Hideki Yukawa wurde als starke Wechselwirkung die Anziehungskraft zwischen den Baryonen (zb Protonen und Neutronen) eines Atomkerns bezeichnet. Diese wurde ab 1934 als Restwechselwirkung, vermittelt durch Mesonen erkannt. Nachdem das Standardmodell in den siebziger Jahren eingeführt wurde, wird die starke Wechselwirkung durch Farbladungen erklärt, die durch Gluonen vermittelt werden.[1]

Farbladungen

Color circle (hue-sat).png

Der Grund der Anziehung der starken Wechselwirkung ist die sogenannte Farbladung, die 1964 vom Physiker Oscar W. Greenberg eingeführt wurde. Der Begriff „Farbe“ hat nichts mit den optischen Farben von Objekten zu tun. Die Bezeichnung „Farbe“ sowie die Verwendung der Farbnamen für die Ladungen sind stattdessen nur als reine Analogien zu verstehen, um die Kombination von drei verschiedenen Werten zu einem neutralen auszudrücken. Statt nur einem Plus- und Minuspol wie bei der elektrischen Ladung gibt es bei der Farbladung die drei „Pluspole“ rot, blau und grün, sowie drei „Minuspole“ antirot, antiblau und antigrün.[2][1] Analog zu den Farben eines Farbkreises werden die Antifarben auch als cyan, gelb und magenta bezeichnet.

Die Regel der Farbladung ist, dass ein Hadron, also Baryon oder Meson nach außen hin weiß, also ladungslos erscheinen muss. Da Baryonen aus drei Quarks bestehen, ist hier nur die Kombination aus rot-blau-grün oder cyan-gelb-magenta möglich. Für Mesonen, die aus zwei Quarks bestehen, ist die Kombination aus rot-cyan, blau-gelb, oder grün-magenta nach außen ladungsneutral. Die Gluonen als Austauschteilchen der Farbkraft müssen nicht farbneutral sein, allerdings trägt ein Gluon immer eine Farbe und eine Antifarbe zusammen.[2] Beispiele für Farbladungen bei Gluonen sind rot-gelb oder blau-cyan, also im Farbkreis immer nebeneinander liegende Farben.[1] In der Summe sind dies sechs; dazu kommen zwei Superpositionszustände, die mehrere Farbe-Antifarben als Wahrscheinlichkeiten tragen.

Gluonen

Die Gluonen sind nach dem Standardmodell die Austauschteilchen der Farbkraft. Das Gluon ist ein masseloses Vektorboson wie das Photon, und die Kraft, die durch dieses Elementarteilchen vermittelt wird, ist die stärkste aller vier Grundkräfte der Physik.[1][2] Sie ist etwa 102-mal stärker als die elektromagnetische Kraft, etwa 1015-mal stärker als die schwache Wechselwirkung, und etwa 1041-mal stärker als die Gravitation. Ihre Reichweite ist mit einem Femtometer, also 10-15 m allerdings sehr gering.[3]

Neutron QCD Animation.gif

In der nebenstehenden Animation ist ein Neutron zu sehen, dass aus Up-Down-Down-Quarks zusammengesetzt ist. Nach außen hin muss es ladungsneutral sein, also rot-blau-grün. Die Gluonen übertragen Farbladungen zwischen den Quarks, und sorgen durch den Austausch für die Wechselwirkung. Dabei übernimmt das Start-Quark die Farbe des Ziel-Quarks, und das Ziel-Quark die Farbe des Start-Quarks. Jedes abgegebene Gluon besitzt deshalb die Farbladung die das Quark selbst hatte, plus die Antifarbe der Farbe, die das Quark nach der Gluonenabgabe hat, um die Farbe des Ziel-Quarks zu neutralisieren.

Die Anziehungskraft, die Gluonen zwischen Quarks vermitteln ähnelt einem Gummiseil. Je größer die Entfernung der Quarks, desto stärker die Anziehungskraft. Entfernen sich zwei Quarks auf den Abstand eines Hadrons, wirkt eine Kraft von etwa 10.000 Newton zwischen diesen.[4] Diese Energie ist groß genug, um ein Quark-Antiquark-Paar aus dem Vakuum zu erzeugen.[2][1] Das Seil reißt in dieser Analogie, und beim Riss entsteht ein Quark-Antiquark-Paar. Dieses Phänomen führt zum Farbeinschluss: Quarks können nie einzeln auftreten, sondern sind stets in insgesamt farbneutralen Teilchen gebunden. Würde man die Quarks in einem Meson auseinanderziehen bis zum Riss, führt der Farbeinschluss dazu, dass man zwei Mesonen hat. Würde man ein Quark aus einem Baryon ziehen, führt der Farbeinschluss dazu, das ein Baryon und ein Meson vorliegt, wie dies beim Pionen-Austausch der Kernkraft vorkommt. Quarks können deshalb nicht in freier Wildbahn beobachtet werden.[1]

Einzelnachweise

  1. a b c d e f Theo Mayer-Kuckuk Kernphysik – Eine Einführung Vieweg+Teubner Verlag, 2002. ISBN 978-3-322-84876-5
  2. a b c d Bethge, Walter, Wiedeman Kernphysik – Eine Einführung Springer, 2007. ISBN 978-3-540-74567-9
  3. W. Greiner, B. Müller Gauge Theory of Weak Interaction Springer, 2000. pp 2. ISBN 978-3-540-87843-8
  4. Fritzsch Quarks: The Stuff of Matter Basic Books, 1983. pp 167–168. ISBN 978-0-465-06781-7