forschen 1/2009 - Forschungscluster «Nuclear and Radiation Science

Wissenschaftsmagazin der TU Darmstadt | Frühjahr 2009
Abbildung 1 (links)
Werden zwei Atomkerne
zur Kollision gebracht,
entsteht heiße und dichte
Quarkmaterie;
Confinement und
dynamische Massenerzeugung
verschwinden.
Im Bild sind die Quarks
farbig (rot, grün und
blau), während die
Kernbausteine, Protonen
und Neutronen
weiß dargestellt sind.
Quelle: CERNphoto
Abbildung 2
Aus Quarks zusammengesetzte
Teilchen. Proton
und Neutron enthalten
drei Quarks, während das
Pion aus einem Quark
und einem Anti-Quark
besteht.
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rien überhaupt. Dennoch lässt es Fragen offen. So
berücksichtigt es die Schwerkraft, die vierte fundamentale
Kraft der Natur, nicht. Ebenso ungeklärt
sind einige der spannendsten fundamentalen
Aspekte der starken Kraft.
Die starke Kraft beschreibt die Wechselwirkung der
fundamentalen Bausteine unserer Materie, der
Quarks. Materie besteht aus Atomen mit einem
Kern aus Protonen und Neutronen. Diese Kernbausteine
bestehen wiederum aus je drei Quarks,
die untereinander sogenannte Gluonen austauschen.
Diese Gluonen (aus dem Englischen
„glue=Klebstoff“) binden die Quarks zusammen;
sie sind die Überträger der starken Wechselwirkung.
Diese Bindung ist so stark, dass weder
Quarks noch Gluonen aus den Protonen und Neutronen
entfernt werden können. Damit begegnet
uns zum ersten Mal in der Naturwissenschaft ein
physikalisches System aus Teilbausteinen, die wir
prinzipiell nicht isolieren können. Diese überraschende
Eigenschaft der starken Wechselwirkung
wird als „Confinement“ bezeichnet nach dem englischen
Wort „confined=eingesperrt“. Der genaue
Mechanismus des Confinement ist noch nicht verstanden
und wird zurzeit anhand verschiedenster
Methoden untersucht. Interessant sind die Auswirkungen
des Confinements auf das Experiment:
Letztlich beobachtbar sind nicht die fundamentalsten
Bausteine der Natur, Quarks und Gluonen,
sondern zusammengesetzte komplexe Systeme aus
drei Quarks (=Baryonen), oder aus je einem Quark
und einem Antiquark (=Mesonen). Die bekanntesten
Baryonen sind die Bausteine der Atomkerne,
die Protonen und Neutronen, das bekannteste Meson
ist das Pion.
Ebenso im Detail unverstanden ist der zweite zentrale
Mechanismus der starken Kraft: die Erzeugung
von Massen aus dem Nichts. Die Masse eines
Atoms ist zu mehr als 99 % im Atomkern
konzentriert, dessen Protonen und Neutronen aus
Quarks aufgebaut sind. Wollen wir also verstehen,
woher die uns umgebenden Dinge ihre Masse bekommen,
müssen wir Ursache für die Erzeugung
der Quarkmassen verstehen. Einen Mechanismus
dafür stellt sowohl die starke als auch die schwache
Wechselwirkung bereit. Im Prinzip gibt es sechs unterschiedliche
Sorten von Quarks, die als „up“,
„down“, „strange“, „charm“, „bottom“ und
„top“-Quarks bezeichnet werden. Je nach Sorte