Zwei Männer agieren vor einer Spiegelwand, die eine Wabenstruktur aufweist.

Hadronen

Der Einsatz von Teilchenbeschleunigern ermöglichte den Vorstoß in das Innere der Protonen: Man entdeckte, dass diese Partikel aus noch kleineren Teilchen bestehen, den Quarks – die wir heute als Elementarteilchen ansehen. Damit wurde die Hadronenphysik begründet. Sie befasst sich mit der Erforschung aller Teilchen, die Quarks enthalten und als Hadronen bezeichnet werden.

Die elementaren Bausteine der Protonen und Neutronen – die Quarks – werden durch die Starke Kraft zusammengehalten. Es gibt sechs verschiedene Sorten von Quarks und entsprechende Antiquarks, die auf unterschiedliche Weise verknüpft werden können und somit eine Vielzahl von sogenannten Hadronen bilden. Bis auf die Protonen und die in Atomkernen gebundenen Neutronen sind jedoch alle Hadronen instabil und lassen sich nur für kurze Zeit in Beschleunigerexperimenten erzeugen. Protonen und Neutronen bestehen aus den zwei leichtesten Quarks, genannt Up- und Down-Quarks.

Alles, was wir sehen – Menschen, Tiere, Pflanzen, Erde und Planeten – besteht aus Materieteilchen. Insgesamt gibt es zwölf Materieteilchen, die in sechs Quarks und sechs Leptonen unterteilt werden. Beide Gruppen bestehen aus Teilchen dreier Familien.
Elementarteilchen und Grundkräfte

Anders als die Moleküle, die wir weitgehend aus den Eigenschaften der Atome verstehen können, geben uns die Hadronen noch immer große Rätsel auf. Um diese aufzuklären, ist ein viel tiefergehendes Verständnis der Starken Kraft erforderlich. So kann die Theorie der Starken Kraft – die Quantenchromodynamik – bisher nicht beschreiben wie die Quarks in Hadronen gefangen sind. Erfolg versprechend zur Lösung dieser Frage sind Ansätze, in denen die Eigenschaften von Hadronen mit Hochleistungscomputern berechnet werden.

Hadronen lassen sich nicht in einzelne Quarks aufspalten. Trotz intensiver Suche wurden bisher keine isolierten Quarks in der Natur beobachtet. Phänomenologisch erklärt man sich diese Eigenschaft der Quarks dadurch, dass die durch Gluonen vermittelte Starke Kraft ähnlich wie ein Gummiband wirkt. Zieht man die Quarks auseinander, so erfordert dies Arbeit, die als potenzielle Energie im Gummiband gespeichert wird – das heißt, im Gluonenfeld zwischen den Quarks. Das Gummiband reißt erst, wenn die Energie zur Bildung eines Quark-Antiquark-Paares ausreicht, was zur Bildung neuer Hadronen führt, aber keine Quarks freisetzt. Hierbei wandelt sich also gemäß der Einsteinschen Formel E = mc² Energie in Materie um. Dieses Verhalten der Quarks in den Hadronen wird als Confinement bezeichnet. Es ist eine der großen Herausforderungen der modernen Physik, das Confinement nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ im Rahmen der Theorie der Starken Kraft zu verstehen.

Die Masse des Protons

Eigentlich sollte sich die Masse eines Protons aus der Summe der Massen seiner Bestandteile ergeben, bis auf kleine Korrekturen durch Bindungseffekte, die die Masse des zusammengesetzten Systems geringfügig verringern. Umso überraschender war die Beobachtung, dass die Quarks weniger als zwei Prozent zur Protonen- beziehungsweise Neutronenmasse beitragen. Die Masse der Quarks wird erzeugt durch ihre Wechselwirkung mit dem sogenannten Higgs-Teilchen, das vom Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagt wird. In Experimenten am Large-Hadron-Collider des CERN wurde inzwischen ein neues Teilchen entdeckt, das Eigenschaften des postulierten Higgs-Teilchens besitzt. Die Masse der Nukleonen – und damit die Masse des sichtbaren Universums – lässt sich durch den Higgs-Mechanismus allerdings nicht erklären.

Die Grafik ist in vier Teile geteilt: Im ersten sind zwei Kugeln, eine blau, eine gelb, dicht beieinander zu sehen. Im zweiten und dritten Schritt werden die Kugeln auseinander gezogen. Im vierten Schritt sind die ursprünglichen beiden Kugeln getrennt aber sofort Teil eines neuen Paares in dem zur gelben Kugel wieder eine blaue und umgekehrt hinzugefügt wird.
Quarks im Verbund

Nach heutigem Verständnis ergibt sich die Masse der Nukleonen zum überwiegenden Teil aus der Bewegungsenergie der Quarks und der Energie des Gluonenfeldes zwischen ihnen. Auch hier gilt wieder die Äquivalenz von Energie und Masse. Physiker nehmen an, dass ein weiterer Prozess bei der Erzeugung der Hadronenmasse eine wichtige Rolle spielte: die Verletzung der chiralen Symmetrie. Die sogenannte Chiralität ist eine der wichtigsten Symmetrien in der Natur. Sie bezeichnet die Tatsache, dass es Gegenstände gibt, die sich zueinander wie Bild und Spiegelbild verhalten, sich also trotz ihrer Ähnlichkeit niemals zur Deckung bringen lassen, so wie die beiden Hände eines Menschen. Daher der Begriff Chiralität, der aus dem Griechischen „χειρ“ für „Hand“ abgeleitet ist und mit „Händigkeit“ übersetzt werden kann.

Die fundamentale Theorie der Starken Kraft, die Quantenchromodynamik, basiert auf der chiralen Symmetrie. Das heißt, dass es rechtshändige und linkshändige Quarks gibt, wobei hier die Händigkeit durch die Kombination von Flugrichtung und einer quantenmechanischen Eigenschaft namens Spin der Quarks definiert ist. Bei rechtshändigen Quarks zeigen Flugrichtung und Spin in die gleiche Richtung, bei linkshändigen Quarks sind sie entgegengesetzt. Rechts und linkshändige Quarks können nicht zur Deckung gebracht werden, weil sie masselos sind und sich daher wie Photonen mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Durch die Wechselwirkung mit den Higgs-Teilchen erhalten die Quarks eine Masse, Physiker bezeichnen dies als explizite Brechung der chiralen Symmetrie. In diesem Zustand existierten die Quarks kurz nach dem Urknall, als sie sich frei im heißen Quark-Gluon-Plasma bewegten. Dieses Plasma aus leichten Quarks und masselosen Gluonen kondensierte zu Hadronen, die um ein Vielfaches schwerer sind als die Summe ihrer Bestandteile. Physiker sprechen hier von einer spontanen Brechung der chiralen Symmetrie der Starken Kraft. Die Erzeugung der Masse der Hadronen und der Materie ist also eng mit der Brechung der chiralen Symmetrie im frühen Universum verknüpft.

Man stieß auf weitere Hinweise darauf, dass die chirale Symmetrie in unserer hadronischen Welt verletzt ist. Es existieren bestimmte Paare von Hadronen, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten. Diese sogenannten chiralen Partner müssten gleiche Massen besitzen, wäre die chirale Symmetrie erfüllt. Die beobachteten Hadronenmassen von chiralen Partnern sind aber deutlich unterschiedlich. Dies lässt sich über die spontane Brechung der chiralen Symmetrie erklären, die eine Verschiebung und Aufspaltung der Massen chiraler Partner bewirkt und somit zu ihrer hadronischen Masse beiträgt.

Starke Wechselwirkung im Fokus

Protonen besitzen ebenfalls einen Spin. Lange Zeit wurde angenommen, dass sich der Spin des Protons in einfacher Weise aus den Spins der Quarks zusammensetzt. Streuexperimente mit hochenergetischen Elektronen zeigten dann aber, dass die Spins der Quarks weniger als dreißig Prozent zum Spin des Protons beitragen. Physiker vermuteten daher, dass auch der Bahndrehimpuls der Quarks und der Spin der Gluonen zum Gesamtdrehimpuls des Protons beitragen. Neue experimentelle Daten von COMPASS am CERN und HERMES am DESY zeigen jedoch, dass der Beitrag der Gluonen klein ist.

Dagegen gibt es erste experimentelle Hinweise, dass die Bahnbewegung der Quarks einen endlichen Beitrag zum Gesamtdrehimpuls des Protons liefert. Neue theoretische Beschreibungen ermöglichen ein dreidimensionales Bild von der inneren Struktur der Hadronen. Um dieses Bild experimentell zu überprüfen, benötigt man höchst intensive Strahlen polarisierter Elektronen, also Elektronen mit definierter Spinrichtung relativ zur Flugrichtung. Diese sind gegenwärtig aber nicht verfügbar. Planungen für entsprechende neue Beschleunigeranlagen und Nachweissysteme haben begonnen.

In einer roten Halbschale (Proton) befinden sich farbige Kugeln (Quarks), die durch schwarze Federn (Gluonen) miteinander verbunden sind.
Das Innere des Protons

Die Starke Kraft hat eine besondere Eigenschaft, die sie von allen anderen Kräften unterscheidet: Die Gluonen, die die Anziehung zwischen den Quarks vermitteln, ziehen sich auch gegenseitig an. Diese Anziehung der Gluonen untereinander ist die Ursache der extremen Stärke der Starken Kraft und führt zu einem komplexen Bild für die in der Natur beobachteten Hadronen, die aus Quarks, Antiquarks und Gluonen zusammengesetzt sind.

Qualitativ lassen sich viele der bislang beobachteten Hadronen vereinfacht als Zwei- beziehungsweise Dreiteilchensysteme von Quarks beschreiben, in diesem Fall spricht man von Konstituentenquarks. Die Frage, welche Strukturen durch die starke Wechselwirkung tatsächlich hervorgebracht werden können, ist offen und wird gegenwärtig intensiv erforscht. Theoretisch sollte es auch möglich sein, dass zum Beispiel Hadronen existieren, die als Hybridzustände aus zwei Konstituentenquarks und einem Gluon zusammengesetzt sind. Es ist auch nicht ausgeschlossen, dass es Teilchen gibt, die nur aus Gluonen bestehen.

Das – noch ferne – Ziel der Physiker ist es, eine effektive Beschreibung der Starken Wechselwirkung zu finden, mit deren Hilfe sie die Struktur der Hadronen verstehen könnten. Diese Beschreibung sollte sowohl die experimentell gewonnenen Daten erklären können als auch den physikalischen Prinzipien genügen, die in der Quantenchromodynamik zusammengefasst sind. Dazu suchen die Physiker nach geeigneten abstrakten Eigenschaften der Hadronen, die sie Freiheitsgrade nennen. Ein Alltagsbeispiel für einen solchen Freiheitsgrad ist der Schwerpunkt eines Tennisballs, der auch als Massemittelpunkt bezeichnet wird. Mit seiner Hilfe lässt sich die Flugbahn des Balls gut berechnen.

Fänden die Physiker geeignete Freiheitsgrade für die Starke Wechselwirkung, könnten sie vorhersagen, welche Hadronenformen oder Teilchenkombinationen unter welchen Bedingungen entstehen. Einzigartige Möglichkeiten für die Erzeugung und das Studium neuer hadronischer Zustandsformen bieten Kollisionen zwischen Protonen und Antiprotonen bei hohen Energien, wie sie an der zukünftigen Beschleunigeranlage FAIR in Darmstadt zur Verfügung stehen werden.