Masse von leichten Quarks präzise berechnet

Die Masse von Protonen ist seit fast 100 Jahren bekannt. Das Gewicht ihrer Bestandteile ist dagegen bis heute nicht exakt bestimmt. Neue Berechnungen verbessern nun die Genauigkeit.

Quarks, Antiquarks und Gluonen
Quarks, Antiquarks und Gluonen

Ithaca (USA) - Protonen und Neutronen, die Bestandteile eines jedes Atomkerns, setzten sich aus noch elementareren Partikeln zusammen – den Quarks. Eine Forschergruppe um Peter Lepage von der Cornell University in Ithaca, New York, hat nun die Masse der drei leichtesten Quarks auf wenige Prozent genau bestimmt. Frühere Angaben waren noch zehn- bis zwanzigmal unpräziser.

Die Quarks werden durch die sogenannte starke Kraft – eine der vier fundamentalen Kräfte im Universum – zusammengehalten. Und zwar derart stark, dass es unmöglich ist, sie zu trennen und einzeln zu untersuchen. Stattdessen umgeben sie sich ständig mit anderen Quarks, Antiquarks und den Vermittlerteilchen der starken Kraft, so genannten Gluonen, und formen komplexere Partikel wie eben Protonen oder Neutronen.

„Um die Quarkmassen zu bestimmen, müssen wir die starke Kraft genau verstehen“, erklärt Lepage. Dazu simulieren er und sein Team das Verhalten von Quarks und Gluonen an großen Supercomputern. Dabei vereinfachten sie die chaotische Situation, indem sie den Elementarteilchen nur erlaubten, sich auf einem Gitter zu bewegen – sowohl im Raum als auch in der Zeit. Je enger man die Maschen zieht, desto näher kommt das Modell der Realität.

Mit Hilfe dieser so genannten Gitterquantenchromodynamik konnten die Wissenschaftler das Massenverhältnis von verschiedenen Quarksorten nun auf ein Prozent genau berechnen, was um eine Größenordnung besser ist als vorher. Demnach besitzt das Up-Quark eine Masse von rund 2 Mega-Elektronenvolt (MeV), das Down-Quark annähernd 4,8 MeV und das Strange-Quark etwa 92 MeV, schreiben Lepage und seine Kollegen im Fachblatt Physical Review Letters.

Quarks weisen erstaunlich große Unterschiede in ihren Massen auf: Das leichteste ist das Up-Quark, das 470-mal leichter als ein Proton ist, und das schwerste, das Top-Quark, ist 180-mal massereicher als ein Proton – oder fast so schwer wie ein Bleiatom. Warum die Elementarteilchen so gegensätzlich sind, ist bislang noch unklar.