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Aufbau der Materie

Die starke Wechselwirkung

Die sog. starke Wechselwirkung ist die Kraft, die Quarks zu Hadronen bindet und ebenfalls dafür verantworlich ist, dass Protonen und Neutronen im Atomkern zusammengehalten werden. Diese Wechselwirkung liegt also der "Kernkraft" zugrunde.

Ein Proton besteht aus 2 up Quarks und einem down Quark

Genauso wie die elektrische Kraft nur zwischen elektrisch geladenen Objekten wirksam ist, ist auch das Auftreten der starken Kraft an eine Ladung gebunden. Von dieser Ladung gibt es jedoch nicht nur einen Typ, wie im Falle der elektrischen Ladung (zusammen mit der "Antiladung" also die zwei Ladungszustände plus und minus), sondern drei verschiedene Arten. Diese drei Ladungstypen werden mit Farben bezeichnet, nämlich als "rot", "grün" und "blau". Diese Bezeichnung ist aber natürlich nur im übertragenen Sinne zu verstehen. Die Anti-Quarks sind Träger von sog. Anti-Farbe.

Im Standard Modell der Teilchenphysik werden Kraftwirkungen durch den Austausch von Teilchen erklärt. Im Falle der starken Wechselwirkung werden diese Austauschteilchen Gluonen genannt (von engl. glue , Kleber). In der Abbildung deuten die Schlangenlinien den Austausch dieser masselosen Teilchen an. Eine stabile Bindung können dabei nur Zustände eingehen, bei denen entweder alle drei Farben vorkommen oder sich Farbe und Anti-Farbe kompensieren. Das Meson, dass aus 2 Quarks besteht, ist also genau genommen aus einem Quark und einem Antiquark aufgebaut. Man spricht davon, dass diese Kombinationen "farbneutral" sind.

Bildliche Darstellung der zunehmenden Kraftwirkung bei Trennung von zwei Quarks. Durch Anklicken startet man eine Animation zur Jetentwicklung.

Der Versuch, ein einzelnes Quark aus einem Hadron zu lösen, scheitert daran, dass die starke Wechselwirkung die sonderbare Eigenschaft hat, mit der Entfernung zuzunehmen. Dies wird gelegentlich mit der Kraftwirkung eines Gummibandes verglichen. Die Abbildung illustriert diesen Mechanismus: Zwischen den sich entfernenden Quarks bildet sich ein schlauchförmiges Kraftfeld. Sobald die darin gespeicherte Energie groß genug ist, bildet sich ein neues Quark-Antiquark Paar. Anstatt die Quarks aus dem ursprünglichen Meson zu befreien, haben sich dadurch 2 Mesonen gebildet. Dies ist die Erklärung dafür, dass Gluonen und Quarks nur in extrem kleinen Raumgebieten von ca. 1 fm einzeln auftreten. In den Experimenten der Teilchenphysik werden deshalb auch keine freien Quarks nachgewiesen, sondern lediglich Hadronen, die zu sog. Jets gebündelt sind.

Die Untersuchung der Eigenschaften des Gluons und der Unterschiede zwischen Quark- und Gluonjets stellen einen Forschungsbereich der Wuppertaler Arbeitsgruppe dar.

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Letzte Änderung: Juli 16, 2004