Physiker haben den "Kleber" der Atomkerne erstmals genau vermessen
Was hält Atomkerne im Innersten zusammen? Eine unsichtbare Kraft sorgt dafür, dass Materie nicht zerfällt. Ein neues Experiment liefert erstmals Einblicke in das Gluonenfeld - den kaum erforschten "Kleber" im Kern der Dinge.
Am Thomas Jefferson National Accelerator Facility in den USA nutzten Physiker dafür den sogenannten GlueX-Detektor und einen Photonenstrahl des CEBAF-Beschleunigers. Ziel war es, das schwer fassbare Verhalten von Gluonen zu untersuchen - jenen ungeladenen Teilchen, die Quarks zusammenhalten. Da Gluonen elektrisch neutral sind und ausschließlich über die starke Kraft wirken, sind direkte Messungen besonders anspruchsvoll.
Statt Gluonen direkt zu detektieren, setzten die Forscher auf einen indirekten Weg: Sie beobachteten die Entstehung sogenannter J/ψ-Teilchen. Diese bestehen aus Charm-Quarks und entstehen nur dann, wenn ein Photon mit einem Gluon im Zielmaterial interagiert. Bislang war man davon ausgegangen, dass dafür Photonen mit mindestens 8,2 GeV nötig sind - eine Schwelle, die bei ruhenden Protonen gilt, da dort keine zusätzliche Bewegungsenergie des Zielteilchens zur Gesamtenergie beiträgt.
Doch das Team wählte bewusst Atomkerne - konkret Deuterium, Helium und Kohlenstoff - als Ziel. In diesen Kernen sind die Protonen und Neutronen in ständiger Bewegung. Ihre Eigenenergie reichte aus, um zusammen mit Photonen unterhalb der 8,2-GeV-Marke dennoch J/ψ zu erzeugen. Damit wurde erstmals die sogenannte subschwellige J/ψ-Produktion innerhalb von Kernen gemessen - eine Premiere.
Diese Daten könnten helfen, einen bisher ungeklärten Effekt zu erklären: den EMC-Effekt. Seit über 40 Jahren ist bekannt, dass Quarks in Atomkernen langsamer erscheinen als in einzelnen Protonen oder Neutronen. Wieso das so ist, blieb unklar. Nun könnte sich zeigen, dass auch das Verhalten der Gluonen im dichten Kernverband verändert ist.
Eine zentrale Rolle bei der Datenauswertung spielte der MIT-Doktorand Jackson Pybus. Ihm gelang es, mithilfe der theoretischen Methode der "light-front dynamics" die wenigen verfügbaren Messpunkte so aufzubereiten, dass sich überhaupt belastbare Aussagen treffen ließen. "Keiner von uns außer Jackson hätte diese Analyse durchführen können. Er verdient großen Respekt für diese Leistung," sagte Projektleiter Or Hen. Die Ergebnisse zeigen mehr J/ψ-Teilchen als die Theorie erwartet hatte - womöglich ein Hinweis darauf, dass sich die "nukleare Klebekraft" im Verbund anders verhält als in Einzelteilchen.
Siehe auch:
Starke Kraft gemessen: Neuer Einblick in Atomkern-DNA
Im Herzen jedes Atoms herrscht eine Kraft, die so stark ist, dass sie Quarks zu Protonen und Neutronen bündelt - und diese wiederum zu Atomkernen verbindet. Diese sogenannte starke Wechselwirkung wird durch Gluonen vermittelt. Doch wie sich diese Gluonen in einem gebundenen Kern verhalten, war bislang ein großes Rätsel. Nun ist es erstmals gelungen, ihre Wirkung unter ganz neuen Bedingungen zu messen.Am Thomas Jefferson National Accelerator Facility in den USA nutzten Physiker dafür den sogenannten GlueX-Detektor und einen Photonenstrahl des CEBAF-Beschleunigers. Ziel war es, das schwer fassbare Verhalten von Gluonen zu untersuchen - jenen ungeladenen Teilchen, die Quarks zusammenhalten. Da Gluonen elektrisch neutral sind und ausschließlich über die starke Kraft wirken, sind direkte Messungen besonders anspruchsvoll.
Statt Gluonen direkt zu detektieren, setzten die Forscher auf einen indirekten Weg: Sie beobachteten die Entstehung sogenannter J/ψ-Teilchen. Diese bestehen aus Charm-Quarks und entstehen nur dann, wenn ein Photon mit einem Gluon im Zielmaterial interagiert. Bislang war man davon ausgegangen, dass dafür Photonen mit mindestens 8,2 GeV nötig sind - eine Schwelle, die bei ruhenden Protonen gilt, da dort keine zusätzliche Bewegungsenergie des Zielteilchens zur Gesamtenergie beiträgt.
Doch das Team wählte bewusst Atomkerne - konkret Deuterium, Helium und Kohlenstoff - als Ziel. In diesen Kernen sind die Protonen und Neutronen in ständiger Bewegung. Ihre Eigenenergie reichte aus, um zusammen mit Photonen unterhalb der 8,2-GeV-Marke dennoch J/ψ zu erzeugen. Damit wurde erstmals die sogenannte subschwellige J/ψ-Produktion innerhalb von Kernen gemessen - eine Premiere.
Diese Daten könnten helfen, einen bisher ungeklärten Effekt zu erklären: den EMC-Effekt. Seit über 40 Jahren ist bekannt, dass Quarks in Atomkernen langsamer erscheinen als in einzelnen Protonen oder Neutronen. Wieso das so ist, blieb unklar. Nun könnte sich zeigen, dass auch das Verhalten der Gluonen im dichten Kernverband verändert ist.
Eine zentrale Rolle bei der Datenauswertung spielte der MIT-Doktorand Jackson Pybus. Ihm gelang es, mithilfe der theoretischen Methode der "light-front dynamics" die wenigen verfügbaren Messpunkte so aufzubereiten, dass sich überhaupt belastbare Aussagen treffen ließen. "Keiner von uns außer Jackson hätte diese Analyse durchführen können. Er verdient großen Respekt für diese Leistung," sagte Projektleiter Or Hen. Die Ergebnisse zeigen mehr J/ψ-Teilchen als die Theorie erwartet hatte - womöglich ein Hinweis darauf, dass sich die "nukleare Klebekraft" im Verbund anders verhält als in Einzelteilchen.
Nachfolge-Experimente
Die Studie erschien als Editors Suggestion in Physical Review Letters und soll jetzt durch ein gezieltes Folgeexperiment mit längerer Laufzeit vertieft werden. Auch der geplante Electron-Ion Collider (EIC), ein Großforschungsgerät zur detaillierten Untersuchung der inneren Struktur von Protonen und Kernen, könnte künftig auf diesen Erkenntnissen aufbauen. Für die Grundlagenforschung zur starken Wechselwirkung sind solche Messungen ein entscheidender Schritt.Was sind Quarks eigentlich?
Quarks sind elementare Bausteine der Materie und zählen zu den fundamentalen Teilchen im Standardmodell der Physik. Sie sind die kleinsten bekannten Teilchen, die keine weitere innere Struktur aufweisen und als punktförmig betrachtet werden.
Quarks verbinden sich zu sogenannten Hadronen, zu denen unter anderem Protonen und Neutronen gehören, die wiederum die Atomkerne bilden. Ein besonderes Phänomen, das als "Confinement" bezeichnet wird, sorgt dafür, dass Quarks niemals isoliert auftreten, sondern nur in gebundenen Zuständen.
Quarks verbinden sich zu sogenannten Hadronen, zu denen unter anderem Protonen und Neutronen gehören, die wiederum die Atomkerne bilden. Ein besonderes Phänomen, das als "Confinement" bezeichnet wird, sorgt dafür, dass Quarks niemals isoliert auftreten, sondern nur in gebundenen Zuständen.
Welche Quarks gibt es?
Es gibt sechs verschiedene Arten (Flavours) von Quarks: Up, Down, Strange, Charm, Bottom und Top. Diese werden in drei Generationen gruppiert, wobei nur die Up- und Down-Quarks der ersten Generation in der gewöhnlichen Materie vorkommen und stabil sind.
Die schwereren Quarks (Strange, Charm, Bottom und Top) treten nur in sehr kurzlebigen Hadronen auf, die bei hochenergetischen Kollisionen entstehen können, beispielsweise in Teilchenbeschleunigern oder durch kosmische Strahlung. Sie zerfallen schnell durch die schwache Wechselwirkung.
Die schwereren Quarks (Strange, Charm, Bottom und Top) treten nur in sehr kurzlebigen Hadronen auf, die bei hochenergetischen Kollisionen entstehen können, beispielsweise in Teilchenbeschleunigern oder durch kosmische Strahlung. Sie zerfallen schnell durch die schwache Wechselwirkung.
Wer entdeckte die Quarks?
Das Quark-Modell wurde 1964 unabhängig voneinander von den Physikern Murray Gell-Mann und George Zweig vorgeschlagen. Sie postulierten, dass die damals bekannten Hadronen keine Elementarteilchen seien, sondern aus Kombinationen von Quarks und Antiquarks bestünden.
Auch der Schweizer Physiker André Petermann soll bereits 1963 die Existenz der Quarks postuliert haben, allerdings wurde sein Manuskript erst 1965 veröffentlicht und sein Beitrag geriet in Vergessenheit. Der experimentelle Nachweis von Quarks erfolgte später durch Streuexperimente am Stanford Linear Accelerator Center.
Auch der Schweizer Physiker André Petermann soll bereits 1963 die Existenz der Quarks postuliert haben, allerdings wurde sein Manuskript erst 1965 veröffentlicht und sein Beitrag geriet in Vergessenheit. Der experimentelle Nachweis von Quarks erfolgte später durch Streuexperimente am Stanford Linear Accelerator Center.
Woher kommt der Name "Quark"?
Murray Gell-Mann entlehnte den Begriff "Quark" aus James Joyces Roman "Finnegans Wake", in dem die Phrase "Three quarks for Muster Mark!" vorkommt. Da das Wort im Buch mit "Mark" und "bark" reimt, suchte Gell-Mann nach einer Rechtfertigung für die Aussprache "kwork".
Er argumentierte, dass eine der möglichen Quellen des Ausrufs "Three quarks for Muster Mark" auch "Three quarts for Mister Mark" sein könnte, was die Aussprache "kwork" rechtfertigen würde. Zudem passte die Zahl drei perfekt zur Art und Weise, wie Quarks in der Natur vorkommen.
Er argumentierte, dass eine der möglichen Quellen des Ausrufs "Three quarks for Muster Mark" auch "Three quarts for Mister Mark" sein könnte, was die Aussprache "kwork" rechtfertigen würde. Zudem passte die Zahl drei perfekt zur Art und Weise, wie Quarks in der Natur vorkommen.
Warum sind Quarks besonders?
Quarks sind die einzigen Elementarteilchen im Standardmodell, die allen vier fundamentalen Wechselwirkungen unterliegen: der starken Wechselwirkung, dem Elektromagnetismus, der schwachen Wechselwirkung und der Gravitation.
Eine weitere Besonderheit ist, dass Quarks elektrische Ladungen besitzen, die keine ganzzahligen Vielfachen der Elementarladung sind. Up-, Charm- und Top-Quarks haben eine Ladung von +⅔e, während Down-, Strange- und Bottom-Quarks eine Ladung von -⅓e aufweisen.
Eine weitere Besonderheit ist, dass Quarks elektrische Ladungen besitzen, die keine ganzzahligen Vielfachen der Elementarladung sind. Up-, Charm- und Top-Quarks haben eine Ladung von +⅔e, während Down-, Strange- und Bottom-Quarks eine Ladung von -⅓e aufweisen.
Was ist die Farbladung?
Quarks besitzen neben der elektrischen Ladung auch eine sogenannte "Farbladung", die nichts mit der gewöhnlichen Farbe zu tun hat. Es gibt drei Arten von Farbladungen, die willkürlich als "rot", "grün" und "blau" bezeichnet werden.
Die Farbladung ist die Grundlage für die starke Wechselwirkung zwischen Quarks, die durch den Austausch von Gluonen vermittelt wird. Anders als bei der elektromagnetischen Kraft nimmt die Stärke der starken Kraft mit zunehmendem Abstand zu, was erklärt, warum Quarks nicht isoliert vorkommen können (Confinement).
Die Farbladung ist die Grundlage für die starke Wechselwirkung zwischen Quarks, die durch den Austausch von Gluonen vermittelt wird. Anders als bei der elektromagnetischen Kraft nimmt die Stärke der starken Kraft mit zunehmendem Abstand zu, was erklärt, warum Quarks nicht isoliert vorkommen können (Confinement).
Was ist das schwerste Quark?
Das Top-Quark ist mit großem Abstand das schwerste aller bekannten Elementarteilchen. Seine Masse beträgt etwa 173 GeV/c², was fast der Masse eines Goldatoms entspricht und mehr als 180-mal schwerer als ein Proton ist.
Wegen seiner enormen Masse hat das Top-Quark die einzigartige Eigenschaft, dass es rasch zerfällt (innerhalb von etwa 10⁻²⁵ Sekunden) und dabei ein reelles W-Boson und meistens ein Bottom-Quark erzeugt. Aufgrund dieser kurzen Lebensdauer können keine Hadronen mit Top-Quarks gebildet werden.
Wegen seiner enormen Masse hat das Top-Quark die einzigartige Eigenschaft, dass es rasch zerfällt (innerhalb von etwa 10⁻²⁵ Sekunden) und dabei ein reelles W-Boson und meistens ein Bottom-Quark erzeugt. Aufgrund dieser kurzen Lebensdauer können keine Hadronen mit Top-Quarks gebildet werden.
Kann man einzelne Quarks sehen?
Einzelne Quarks können aufgrund des Confinement-Phänomens nie isoliert beobachtet werden. Versucht man, ein Quark aus einem Hadron herauszulösen, wird die dafür benötigte Energie so groß, dass neue Quark-Antiquark-Paare entstehen und sich zu neuen Hadronen verbinden.
In Teilchenbeschleunigern können Quarks indirekt nachgewiesen werden, etwa durch die Analyse von sogenannten Jets, die entstehen, wenn hochenergetische Quarks hadronisieren. Unter extremen Bedingungen wie im Quark-Gluon-Plasma, das kurz nach dem Urknall existierte, könnten Quarks quasi-frei existieren.
In Teilchenbeschleunigern können Quarks indirekt nachgewiesen werden, etwa durch die Analyse von sogenannten Jets, die entstehen, wenn hochenergetische Quarks hadronisieren. Unter extremen Bedingungen wie im Quark-Gluon-Plasma, das kurz nach dem Urknall existierte, könnten Quarks quasi-frei existieren.
Zusammenfassung
- Physiker konnten erstmals Wirkung von Gluonen in Atomkernen messen
- Gluonen übertragen die starke Kraft und halten Quarks im Kern zusammen
- Forscher nutzten GlueX-Detektor und beobachteten spezielle J/ψ-Teilchen
- Die Messung könnte den seit 40 Jahren ungeklärten EMC-Effekt erklären
- Mehr J/ψ-Teilchen als erwartet deuten auf verändertes Gluonenverhalten hin
- Ergebnisse erschienen in Physical Review Letters als Editors Suggestion
- Folgeexperimente und der geplante Electron-Ion Collider sollen Forschung vertiefen
Siehe auch:
- Mögliches Zeichen neuer Physik? Symmetrie der Quarks durchbrochen
- Pentaquarks & Co.: LHC findet neue Formen exotischer Materie
- Pentaquarks: LHC findet nach Neustart 50 Jahre gesuchtes Teilchen
- CERN beobachtet den Prozess, der Blei plötzlich in Gold verwandelt
- LHC mal drei: Planung für Zukunftsbeschleuniger des CERN fertig
Thema:
