Die starke Kernkraft ist, wie Sie vielleicht schon vermutet haben, eine sehr starke Kraft. Sie ist so stark, dass sie in der Lage ist, einige der kleinsten Teilchen im Universum für sehr lange Zeit, möglicherweise für immer, an sich zu binden. Teilchen, die durch die starke Kraft gebunden sind, bilden die Bausteine unserer Alltagswelt: Protonen und Neutronen. Aber wenn man ein Proton oder Neutron aufschneiden würde, würde man keine schöne, einfache Anordnung subatomarer Teilchen finden. Stattdessen würde man die ekelhaften Innereien einer der vielleicht komplexesten Kräfte im Universum sehen.
Protonen und Neutronen sind nicht die einzigen Dinge, die die starke Kraft hervorbringen kann, aber wir verstehen die anderen, komplexeren und exotischeren Anordnungen nicht wirklich. Mehr noch, selbst unsere Beobachtungen und Experimente sind nur sehr lückenhaft. Aber Physiker arbeiten hart daran, Erkenntnisse über diese fundamentale Kraft der Natur zu gewinnen.
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Stark und komplex
Um die starke Kraft zu beschreiben, vergleicht man sie am besten mit ihrem viel berühmteren Cousin, der elektromagnetischen Kraft. Bei der elektromagnetischen Kraft sind die Dinge einfach, leicht und geradlinig; so sehr, dass Wissenschaftler um 1900 in der Lage waren, sie weitgehend zu verstehen. Bei der elektromagnetischen Kraft kann jedes Teilchen mitmachen, solange es eine Eigenschaft hat, die man elektrische Ladung nennt. Wenn man diese Ladung hat, kann man die elektromagnetische Kraft spüren und darauf reagieren. Und alle Arten von Teilchen aller Couleur tragen eine elektrische Ladung, wie z.B. das gewöhnliche Elektron.
Ein anderes Teilchen, das Lichtteilchen (auch als Photon bekannt), überträgt die elektromagnetische Kraft von einem geladenen Teilchen auf ein anderes. Das Photon selbst hat keine eigene elektrische Ladung und ist masselos. Es bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit durch das Universum und sorgt für den Elektromagnetismus.
Elektrische Ladung. Ein einzelner Träger der elektromagnetischen Kraft. Einfach, geradlinig.
Im Gegensatz dazu gibt es sechs Teilchen, die der starken Kernkraft unterliegen. Als Gruppe sind sie als Quarks bekannt und haben ausreichend skurrile Namen wie up, down, top, bottom, strange und charm. Um die starke Kernkraft zu spüren und auf sie zu reagieren, haben diese Quarks eine eigene Ladung. Es ist keine elektrische Ladung (obwohl sie auch eine elektrische Ladung haben und auch die elektromagnetische Kraft spüren), aber aus verschiedenen Gründen, die die Dinge wirklich verwirrend machen, nennen die Physiker diese besondere Ladung, die mit der starken Kernkraft verbunden ist, die Farbladung.
Die Quarks können eine von drei Farben haben, die rot, grün und blau genannt werden. Nur um das klarzustellen: Das sind keine echten Farben, sondern nur Bezeichnungen, die wir dieser seltsamen, ladungsähnlichen Eigenschaft geben.
Die Quarks spüren also die starke Kraft, aber sie wird von einer ganzen Reihe anderer Teilchen getragen – acht, um genau zu sein. Man nennt sie Gluonen, und sie leisten wirklich gute Arbeit beim … Moment mal … Zusammenkleben von Quarks. Die Gluonen haben auch die Fähigkeit und den Wunsch, ihre eigene Farbladung zu tragen. Und sie haben eine Masse.
Sechs Quarks, acht Gluonen. Die Quarks können ihre Farbladung ändern, und die Gluonen auch, warum auch nicht.
All das bedeutet, dass die starke Kernkraft viel komplexer und komplizierter ist als ihr elektromagnetischer Cousin.
Unheimlich stark
Okay, ich habe gelogen. Die Physiker haben diese Eigenschaft von Quarks und Gluonen nicht nur aus Lust und Laune „Farbladung“ genannt, sondern weil es als nützliche Analogie dient. Gluonen und Quarks können sich zu größeren Teilchen zusammenschließen, solange sich alle Farben zu Weiß addieren, so wie sich rotes, blaues und grünes Licht zu weißem Licht summieren. Die häufigste Kombination sind drei Quarks, je ein rotes, grünes und blaues. Aber hier wird die Analogie ein wenig kompliziert, denn jedem einzelnen Quark kann zu jedem Zeitpunkt eine beliebige Farbe zugewiesen werden; entscheidend ist die Anzahl der Quarks, um die richtigen Kombinationen zu erhalten. Man kann also Gruppen von drei Quarks haben, um die bekannten Protonen und Neutronen zu bilden. Man kann auch ein Quark mit seinem Anti-Quark binden, wobei sich die Farbe selbst aufhebt (z. B. Grün paart sich mit Anti-Grün, und nein, ich erfinde das nicht einfach so), um eine Art von Teilchen zu bilden, das als Meson bekannt ist.
Aber das ist noch nicht alles.
Theoretisch sind in der Natur alle Kombinationen von Quarks und Gluonen, die sich zu Weiß addieren, technisch möglich.
Zum Beispiel können sich zwei Mesonen – mit jeweils zwei Quarks in ihrem Inneren – zu einem so genannten Tetraquark verbinden. Und in einigen Fällen kann man ein fünftes Quark hinzufügen, das immer noch alle Farben ausbalanciert und (Sie haben es erraten) Pentaquark genannt wird.
Das Tetraquark muss nicht einmal technisch in einem einzigen Teilchen gebunden sein. Sie können einfach nebeneinander existieren und ein sogenanntes hydronisches Molekül bilden.
Und wie verrückt ist das denn? Die Gluonen selbst brauchen vielleicht nicht einmal ein Quark, um ein Teilchen zu bilden. Es kann einfach ein Ball von Gluonen sein, der relativ stabil im Universum herumhängt. Man nennt sie Gluebälle. Der Bereich aller möglichen gebundenen Zustände, die durch die starke Kernkraft möglich sind, wird als Quarkonium-Spektrum bezeichnet, und das ist kein Name, den sich ein Autor einer Sci-Fi-Fernsehserie ausgedacht hat. Es gibt alle möglichen verrückten Kombinationen von Quarks und Gluonen, die einfach so existieren könnten.
Sind sie das auch?
Quark-Regenbogen
Vielleicht.
Physiker führen seit einigen Jahrzehnten Experimente zur starken Kernkraft durch, wie das Baber-Experiment und einige am Large Hadron Collider, wobei sie sich im Laufe der Jahre langsam zu höheren Energieniveaus hocharbeiten, um immer tiefer in das Quarkonium-Spektrum vorzudringen (und ja, Sie haben meine Erlaubnis, diesen Ausdruck in jedem Satz oder jeder lockeren Unterhaltung zu verwenden, die Sie wollen, so genial ist er). Bei diesen Experimenten haben die Physiker viele exotische Ansammlungen von Quarks und Gluonen gefunden. Die Experimentatoren geben ihnen seltsame Namen, wie χc2(3930).
Diese exotischen potenziellen Teilchen existieren nur flüchtig, aber in vielen Fällen eindeutig. Aber Physiker tun sich schwer damit, diese flüchtigen Teilchen mit den theoretischen Teilchen in Verbindung zu bringen, von denen wir vermuten, dass sie existieren sollten, wie die Tetraquarks und die Glueballs.
Das Problem bei der Herstellung dieser Verbindung ist, dass die Mathematik wirklich schwierig ist. Anders als bei der elektromagnetischen Kraft ist es sehr schwierig, solide Vorhersagen über die starke Kernkraft zu machen. Das liegt nicht nur an den komplizierten Wechselwirkungen zwischen den Quarks und den Gluonen. Bei sehr hohen Energien beginnt die Stärke der starken Kernkraft tatsächlich abzunehmen, so dass sich die Mathematik vereinfacht. Aber bei niedrigeren Energien, wie der Energie, die benötigt wird, um Quarks und Gluonen zu stabilen Teilchen zusammenzubinden, ist die starke Kernkraft tatsächlich sehr, sehr stark. Diese erhöhte Stärke macht die Berechnung schwieriger.
Theoretische Physiker haben eine Reihe von Techniken entwickelt, um dieses Problem zu lösen, aber die Techniken selbst sind entweder unvollständig oder ineffizient. Wir wissen zwar, dass einige dieser exotischen Zustände im Quarkonium-Spektrum existieren, aber es ist sehr schwierig, ihre Eigenschaften und experimentellen Signaturen vorherzusagen.
Doch die Physiker arbeiten hart, wie sie es immer tun. Langsam, mit der Zeit, bauen wir unsere Sammlung exotischer Teilchen auf, die in Collidern erzeugt wurden, und machen immer bessere Vorhersagen darüber, wie die theoretischen Quarkonium-Zustände aussehen sollten. Die Übereinstimmungen kommen langsam zusammen und geben uns ein vollständigeres Bild dieser seltsamen, aber grundlegenden Kraft in unserem Universum.
Paul M. Sutter ist Astrophysiker an der Ohio State University, Moderator von Ask a Spaceman und Space Radio und Autor von Your Place in the Universe.
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Ursprünglich veröffentlicht auf Live Science.
