Hadronen und Kerne - Einführung

Die Faszination der Atomkerne rührt nicht nur von ihrer zentralen Stellung beim Aufbau der Materie her, sondern sie wird auch dadurch begründet, dass ihre große Vielfalt durch die Kombination von nur zwei Teilchen, den Protonen und den Neutronen, erzeugt wird. Diese werden Nukleonen genannt. Mit der Erforschung der komplizierten Strukturen, die das Konglomerat dieser beiden Nukleonen hervorbringt, beschäftigt sich die Kernphysik. Zusätzlich zu Protonen und Neutronen wurden weitere, ähnliche Teilchen entdeckt, deren Lebensdauer jedoch außerordentlich kurz ist und die für den Aufbau der Materie von unterschiedlicher Bedeutung sind. Sie werden zusammen mit den Nukleonen als Hadronen bezeichnet. Es hat sich herausgestellt, dass diese Hadronen entgegen der ursprünglichen Annahme nicht strukturlose Gebilde sind, sondern wiederum aus weiteren, kleineren Teilchen, den so genannten Quarks und Gluonen, aufgebaut sind.

Nach gegenwärtigem Verständnis sind diese Quarks und Gluonen punktförmig und gehören zu den wenigen wirklich fundamentalen Bausteinen unserer Welt. Ihre herausragende Eigenschaft ist ihre extrem starke Wechselwirkung. Gluonen sind masselos und die Masse der Quarks macht nur wenige Prozent der Masse von Atomkernen aus. Der Rest, und das heißt über 95 % der gesamten Masse aller alltäglichen Gegenstände, aber auch z. B. jedes einzelnen Menschen, wird durch die Wechselwirkung der Quarks und Gluonen erzeugt.

Die bedeutendste und vielleicht mysteriöseste Eigenschaft dieser Wechselwirkung ist das Confinement. Es besagt, dass Quarks und Gluonen niemals einzeln auftreten, sondern immer in Bindungszuständen, nämlich den Hadronen, eingefangen (engl.: confined) sind. Man kann sie nicht auseinander reißen, weil die Kraft, durch die sie zusammengehalten werden, immer stärker wird, je weiter man sie von einander entfernt. Dieses Verhalten ist auf komplizierte Vielteilcheneffekte zurückzuführen. Für ganz kleine Abstände hingegen wechselwirken nur einzelne Quarks und Gluonen miteinander, was die Situation so stark vereinfacht, dass es kaum noch prinzipiell unverstandene Aspekte gibt. In diesem Fall können sich Quarks fast frei bewegen.

Die zu Grunde liegende Theorie der Quarks und Gluonen ist die Quanten-Chromo-Dynamik (QCD). Ihre Grundgleichung ist so einfach, dass sie sich in einer einzigen Zeile niederschreiben lässt, aber die sich hieraus ergebenden dynamischen Eigenschaften sind so kompliziert, dass man viele Aspekte selbst mit den leistungsstärksten Computern noch nicht berechnen kann.

Was ist Hadronenphysik und was ist Kernphysik?

Die Hadronenphysik erforscht die innere Struktur und Dynamik der Hadronen und die so genannte starke Kraft zwischen ihnen. Sie versucht, beides auf die unmittelbare Wechselwirkung zwischen den Quarks und Gluonen, d. h. auf die noch stärkere fundamentale Wechselwirkung der QCD, zurückzuführen.

Die Eigenschaften der Wechselwirkung zwischen den Nukleonen, d. h. den Protonen und Neutronen, bestimmen den Aufbau der Kerne. Die Untersuchung der großen Vielfalt dieser physikalischen Systeme ist Aufgabe der Kernphysik. Sie konnte in den letzten 80 Jahren bereits sehr viele Fragen beantworten, sodass heute ein verbessertes Verständnis der Struktur und der dynamischen Eigenschaften von Atomkernen erreicht worden ist. Trotz der vielen Erkenntnisse bleibt ein zentrales Problem weiterhin offen, nämlich zu verstehen, wie diese effektive, letztlich auf der starken Wechselwirkung der QCD beruhende, Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung im Kern genau beschaffen ist.

Diese Kraft wird auch Kernkraft genannt und ihre Eigenschaften wurden durch viele unterschiedliche Experimente eingehend untersucht. Dabei zeigte sich, dass sie als effektive Wechselwirkung völlig andere Eigenschaften hat als die bekannten fundamentalen Wechselwirkungen bzw. Kräfte wie Gravitation und Elektromagnetismus oder die starke Wechselwirkung selbst.

Obwohl bisher die Erkenntnisse über die Natur der Kernkräfte überwiegend auf phänomenologischem Weg gewonnen wurden, haben sie zusammen mit Mehrteilchentheorien doch zu guten Erfolgen bei der Beschreibung der grundlegenden Eigenschaften der Atomkerne geführt. Das intensive Studium der Kernphysik hat zur Entdeckung einer weiteren Kraft geführt, der so genannten schwachen Wechselwirkung. Sie ist die Ursache für den Beta-Zerfall der Atomkerne und auch für die Kernfusion als Energiequelle der Sterne. Die schwache Kraft ist damit nicht etwa nur ein interessanter physikalischer Effekt der Hadronen- und Kernphysik, sondern sie spielt eine grundlegende Rolle für unser Leben auf der Erde. Sie ist inzwischen mit dem Elektromagnetismus zur so genannten elektroschwachen Wechselwirkung vereinigt worden. Dahinter steht die Erkenntnis, dass sie beide nur zwei verschiedene Formen einer einzigen fundamentalen Wechselwirkung sind, die aber erst bei höheren Energien in Erscheinung tritt. Auch hierzu hat die Hadronen- und Kernphysik wesentlich beitragen.

Die drei großen Fragestellungen der Hadronen- und Kernphysik

In der Hadronen- und Kernphysik, wie in fast allen Bereichen der physikalischen Forschung, gibt es zu jedem Zeitpunkt eine Reihe von "heißen" Fragestellungen, die reif für einen Durchbruch in unserem Verständnis sind. Die aktuellsten dieser "offenen" Bereiche seien im Folgenden kurz umrissen:

Der erste Bereich betrifft die grundlegenden Eigenschaften der Kernmaterie, aufbauend auf der QCD. Das Ziel ist hier sowohl die Erforschung neuer Formen von stark wechselwirkender Materie, als auch das Verstehen des Confinements zunächst in den Bereichen, wo sich die Quarks noch nahezu frei bewegen können. Dieser Zustand ist deshalb so interessant, weil darin die individuellen Eigenschaften der Quarks zum Vorschein kommen und damit dem Experiment zugänglich werden.

Für beide wissenschaftlichen Ziele benötigt man fast durchweg Reaktionen zwischen Kernen bei hohen Energien. Dabei können in der Kollision dieser Kerne sehr hohe Kerndichten erzeugt werden, die zur Folge haben, dass sich die Eigenschaften von Hadronen signifikant ändern. Bei noch höheren Energien kann die Energiedichte so groß werden, dass große Zahlen von Quarks, Antiquarks und Gluonen aus dem Vakuum erzeugt werden. Unter solchen Umständen sagt die QCD voraus, dass eine neue Phase der Kernmaterie oder sogar eine neue Form von Materie entsteht: das Quark-Gluon-Plasma (QGP).

Beim Übergang von normaler Kernmaterie zum QGP verändert die QCD-Wechselwirkung ihre Eigenschaften so vollständig, dass das Konzept eines von ihr erzeugten Anteils der Nukleonenmasse seinen Sinn verliert. Umgekehrt ergibt sich daraus, dass beim Übergang vom QGP zur normalen Kernmaterie über 95 % der Masse der Kerne erzeugt werden. Dieser so genannte Phasenübergang ist also der dominierende Prozess, der für die Entstehung des Löwenanteils der Masse im Universum und damit auch der Masse auf der Erde verantwortlich ist. In der Entwicklung des Weltalls ist dieser Übergang einige Mikrosekunden nach dem Urknall eingetreten. Die Untersuchung des Confinements und der Phasenübergänge stark wechselwirkender Materie ist also von grundlegender und kosmologischer Bedeutung.

Der zweite Bereich, die Kernphysik der niederen Energien, sucht unsere Kenntnisse über die Eigenschaften der Atomkerne bis zu den grundlegenden Grenzen ihrer Stabilität zu erweitern. Selbst für kurze Zeit können Kerne nur eine begrenzte Anzahl an Neutronen (N) und Protonen (Z) zusammenhalten. Die unteren und oberen Grenzwerte für N bei vorgegebenem Z bestimmen die so genannten Protonen- und Neutronen-Driplines (d. h. "Abtropfgrenzen"). Die Eigenschaften der Kerne an oder nahe der Protonen-Dripline bestimmen die explosive Entwicklung der Sternmaterie, nachdem durch Fusion der im Urknall entstandenen Kernbrennstoffe (Wasserstoff, Deuterium und Helium) die leichten Elemente bis zum Sauerstoff aufgebaut worden sind. Diese so genannten rp (rapid)-Prozesse erzeugen die stabilsten Atomkerne im Periodensystem um die Elemente Eisen und Nickel. Die noch schwereren Elemente entstehen im Verlauf von Supernova-Explosionen, wobei in rascher Folge Neutronen in den Kernen angereichert werden (sog. rn-Prozess). Supernovae sind also die Ursache für die Entstehung der schweren Elemente im Universum und auch bei uns auf der Erde. Um alle diese Prozesse quantitativ zu verstehen, bedarf es der Messungen der Stabilitätseigenschaften der Kerne sowohl in einem großen Bereich in Richtung auf die Neutronen- als auch in der Gegend der Protonen-Dripline.

Neben der Protonen- und der Neutronen-Dripline gibt es einen dritten Grenzbereich der möglichen Kernmassen, das sind die schwersten stabilen Kerne jenseits des Urans. Verlässliche Modellrechnungen sagen voraus, dass Kerne mit über 180 Neutronen und bis zu 126 Protonen hinreichend lange Lebensdauern besitzen, sodass die Erforschung ihrer Eigenschaften noch praktikabel ist. Solche Kerne hätten überaus große Spaltwahrscheinlichkeiten. Die Grenze beobachteter überschwerer Kerne ist seit Jahren zielstrebig nach oben erweitert worden, ohne bisher die theoretisch erwartete Grenze zu erreichen.

Der dritte Bereich betrifft den inneren Quark-Gluon-Aufbau der Hadronen, insbesondere der Nukleonen. Die Grundidee ist hier, im Rahmen der QCD experimentelle Ergebnisse (z. B. Winkelverteilungen der einzelnen in einer Reaktion erzeugten Hadronen) eindeutig auf wohl definierte physikalische Größen zurückzuführen, die charakteristisch für die innere Struktur z. B. des Protons sind. Modernste Höchstleistungscomputer erlauben es, viele dieser Größen (sowie noch weit mehr nicht direkt experimentell zugängliche Größen) im Rahmen der so genannten Gitter-QCD ohne zusätzliche Annahmen oder Parameter zu berechnen. Die Summe all dieser Informationen liefert ein klareres Bild vom inneren Aufbau des Protons als dem nach heutiger Kenntnis einzigem stabilen Baustein der Kernmaterie.

Die Welt in diesen kleinen Dimensionen unterliegt den Gesetzen der Quantenphysik. Eine ihrer fundamentalen Aussagen ist, dass der Messprozess die Eigenschaften eines Systems beeinflusst. Das bedeutet, dass auch die innere Struktur eines Protons von der Art abhängt, in der man es betrachtet. Man kann sich dies ähnlich vorstellen wie eine Skulptur, die aus verschiedenen Blickwinkeln recht unterschiedlich aussieht. (Eine strenge Analogie wäre eine Skulptur, die, wenn sie aus einer Richtung beleuchtet wird, dadurch ihr Aussehen in den anderen Richtungen ändert.)

Für einige Fragestellungen zur Struktur des Protons sind wir heute in der Lage, detaillierte Antworten zu geben. Hierzu gehört z. B. die Frage: "Welchen Anteil am Gesamtdrehimpuls des Protons tragen die Quarks, wenn man das Proton auf diese oder jene Weise untersucht?" Die Ergebnisse der entsprechenden Experimente haben zu nicht vorhergesehenen Einsichten über das Innere der Hadronen geführt und unsere Kenntnisse der QCD wesentlich vertieft. Das heißt aber noch lange nicht, dass die Herkunft des Gesamtdrehimpulses im Proton heute wirklich verstanden ist.

Ziel dieser Forschung ist letztlich zu verstehen, wie die effektiven Eigenschaften der Hadronen, die die Struktur unserer Welt bestimmen, aus den elementaren Eigenschaften der Quarks und Gluonen resultieren.

Physik jenseits des Standardmodells?

Das Standard-Modell der Teilchenphysik für die Beschreibung der elektroschwachen und der starken Wechselwirkung ist im Experiment bisher mit außerordentlich hoher Präzision bestätigt worden. Die Suche nach Abweichungen, d. h. nach "Physik jenseits des Standardmodells", erfordert deshalb Experimente mit sehr hoher Genauigkeit. Die Hadronen und Kerne sind physikalische Systeme des Mikrokosmos und damit weitgehend ungestört durch komplexe äußere Einflüsse. Sie sind deshalb für Hochpräzisionsmessungen der erforderlichen Art besonders gut geeignet.

Interessante Ansatzpunkte für die Suche nach Physik jenseits des Standardmodells, d. h. nach Ansatzpunkten für neue, bisher nicht bekannte physikalische Gesetzmäßigkeiten, ist die sehr genaue Vermessung von Symmetrieverletzungen. Symmetrien spielen eine wichtige Rolle für die Erscheinungsformen der Materie. Bekannte Symmetrien, denen die Naturgesetze unterliegen, sind die räumliche Verschiebungs- und Drehsymmetrie oder die Symmetrie der Zeitverschiebungen. Auf sie gehen so bekannte physikalische Gesetze wie die Erhaltung von Impuls, Drehimpuls und Energie zurück.

Die Verletzung von Symmetrien kann große Konsequenzen haben. Eine für uns Menschen besonders wichtige Symmetrieverletzung tritt bei Prozessen auf, bei denen die Kombination von Spiegelsymmetrie und Teilchen-Antiteilchen-Vertauschungssymmetrie verletzt wird. Ohne diese Symmetrieverletzung wäre die im Urknall symmetrisch entstandene Materie und Antimaterie völlig zerstrahlt. Es gäbe also keine Materie mehr und damit keine Lebewesen im Universum. Wie der Symmetriebruch genau zustande kam, ist bisher noch nicht verstanden. Experimente mit Hadronen, die Quarks der zweiten Familie, d. h. Strange- und Charm-Quarks enthalten, können zur Aufklärung beitragen.

Ein weiteres Beispiel ist die Suche nach Ereignissen, bei denen die Zeitumkehrsymmetrie verletzt wird. Falls solche Prozesse in der Natur wirklich gefunden würden, dann gäbe es im Universum einen Zeitpfeil bereits auf der untersten, ganz elementaren Ebene. Ein Weg, diese Frage zu untersuchen, ist die präzise Vermessung des Beta-Zerfalls exotischer Atomkerne oder die Suche nach einem elektrischen Dipolmoment beim Neutron oder in bestimmten Atomen und Kernen.

Forschungsgeräte und große Experimente

Die im dritten Abschnitt genannten drei Forschungsbereiche haben einen internationalen Konsens bezüglich der notwendigen neuen Beschleuniger und Detektoren herbeigeführt. Diese Übereinstimmung beruht darauf, dass Hadronen- und Kernphysik heute fast ausschließlich im internationalen Verbund betrieben werden und dass internationale Begutachtungsgremien die groben Züge der Forschungsentwicklung festlegen.

Die Untersuchung von QCD-Materie bei höchsten Energiedichten, wie dem Phasenübergang zum QGP, benötigt Schwerionenstrahlen von mindestens 100 GeV/Nukleon. Diese werden durch den RHIC-Beschleunigerkomplex in Brookhaven, USA, und den Large Hadron Collider (LHC) bei CERN in Genf geliefert. Letzterer wird die höchsten Energiedichten überhaupt erzeugen und soll 2007 in Betrieb gehen. Für die Erzeugung von Kernmaterie bei höchster Massendichte, d. h. stärkster Kernkompression, benötigt man Schwerionenstrahlen bei mittleren Energien von etwa 30 bis 50 GeV/Nukleon. Solche Experimente sind unter anderem für das Europäische Forschungszentrum FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) in Darmstadt geplant.

Zur Herstellung und Untersuchung von radioaktiven Kernen an den Grenzen der Stabilität, also an der Protonen- und Neutronen-Dripline, werden Strahlen von Kernen benötigt, die selbst schon radioaktiv sind. Daher besteht ein geeigneter Beschleuniger aus zwei Stufen: Die erste verwendet konventionelle Strahlen, wie etwa schwere Ionen, Protonen oder Deuteronen zur Erzeugung der radioaktiven Kerne, die dann in der zweiten Stufe für Experimente genutzt oder weiter beschleunigt werden. 

In Europa ist mit dem Ausbau der GSI in Darmstadt zum Europäischen Forschungszentrum FAIR eine Anlage geplant, die alle bisherigen Möglichkeiten auf diesem Gebiet in den Schatten stellen wird. Auch der bereits laufende Forschungsreaktor München II eröffnet in dieser Hinsicht sehr interessante Möglichkeiten.

Die innere Struktur der Hadronen kann man am besten mit elektroschwachen Reaktionen wie z. B. Elektron-Nukleon-Kollisionen und mit hadronischen Reaktionen wie z. B. der Proton-Antiproton-Kollision untersuchen. Elektroschwache Reaktionen erlauben es, einzelne Aspekte besonders sauber von anderen Prozessen zu trennen. Auf diesem Gebiet ist gegenwärtig DESY mit der Beschleunigeranlage HERA das international führende Forschungszentrum. Allerdings wird der HERA-Beschleuniger im Sommer 2007 seinen Betrieb einstellen.

Hadronische Reaktionen haben demgegenüber den Vorteil, besonders vielfältige Informationen zu enthalten. Ihre Isolierung aus den komplizierten Messdaten stellt aber höhere Anforderungen, insbesondere an die Theorie. Derartige Reaktionen werden mit Protonen und Deuteronen am Kühlersynchrotron COSY im Forschungszentrum Jülich und am Brookhaven National Laboratory in den USA (Proton-Proton-Reaktionen) untersucht und werden auch ein zentraler Teil des Forschungsprogramms bei FAIR (Antiproton-Proton/Kern-Reaktionen) sein.

Entwicklung und Einsatz von Höchstleitungsrechnern

Die Hadronen- und Kernphysik ist auch eine Triebfeder für technische Neuentwicklungen mit vielfältigen Anwendungen. In den letzten Jahren hat hierbei die Entwicklung von Höchstleistungsrechnern, Computer-Clustern und für beide geeignete Software besondere Bedeutung erlangt. Diese Entwicklung wurde zum einen vorangetrieben, um die enormen Datenmengen, die moderne Experimente liefern, auswerten zu können. (Beim COMPASS-Experiment, das gegenwärtig am CERN läuft, sind dies z. B. 4000 Gbyte/Tag.) Zum anderen erfordert die Gitter-QCD, d. h. die numerische parameterfreie Berechnung von Hadroneigenschaften aus den Grundgleichungen der QCD, immer stärkere Höchstleistungsrechner. Da in diesem Bereich der wissenschaftliche Erfolg untrennbar mit den zur Verfügung stehenden Rechenkapazitäten verknüpft ist, haben Hadronenphysiker massiv zur Entwicklung neuartiger Techniken bis hinab zum Chip-Design beigetragen. Hervorzuheben sind in diesem Zusammenhang die europäische APEnext-Rechnerfamilie (DESY und INFN/Italien) und die japanisch-amerikanisch-englische QCDOC-Entwicklung, die vor kurzem in Zusammenarbeit mit der Industrie neue Rechnertypen mit einem besonders günstigen Preis-Leistungsverhältnis und besonders geringem Energieverbrauch produziert haben.

Der drastisch steigende Rechenbedarf in vielen wissenschaftlichen und industriellen Bereichen macht derartige, mäßig spezialisierte Rechnerarchitekturen für immer größere Anwendungsbereiche interessant.