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Antiprotonenphysik

Die Eigenschaften der Starken Kraft

Protonen und Neutronen – gemeinsam als Nukleonen bezeichnet – gehören zur Familie der Hadronen (hadron (gr.): stark). Ihre elementaren Bestandteile sind die Quarks, die durch die Starke Kraft zusammengehalten werden. Die Starke Kraft, die über den Austausch von Gluonen vermittelt wird, zeigt ein ungewöhnliches Verhalten: paradoxerweise ist sie klein, wenn die Quarks dicht beieinander sind, wird größer, wenn der Abstand zunimmt, und bleibt dann konstant.

Versucht man ein Quark-Antiquark-Paar von einander zu trennen, so wird die Energie in dem Gluonenfeld immer größer, bis sie schließlich ausreicht, um ein weiteres Quark-Antiquark zu bilden. Als Ergebnis erhält man nicht zwei isolierte Quarks, sondern immer neue Quark-Antiquark-Paare. Diese absolute Gefangenschaft der Quarks wird als Confinement bezeichnet. Es ist eine der großen Herausforderungen der modernen Physik, das Confinement nicht nur als Phänomen qualitativ zu verstehen, sondern quantitativ aus der Theorie der Starken Wechselwirkung ableiten zu können.

Die Physiker müssen hierzu das Verhalten der Starken Kraft bei mittleren und größeren Abständen besser verstehen. Experimentell planen sie, hochenergetische Antiprotonen mit Protonen kollidieren zu lassen. Auf diese Weise lassen sich z. B. kurzlebige Charmonium-Teilchen erzeugen, die aus einem charm-Quark und einem charm-Antiquark bestehen. Von einer genauen Spektroskopie der Charmonium-Zustände versprechen sich die Physiker wichtige neue Erkenntnisse über das Verhalten der Starken Kraft und den Ursprung des Confinement.

Ein anderes Rätsel der Hadronenphysik ist die Herkunft der Masse der aus Quarks zusammengesetzten Teilchen. Beim Nukleon macht die Masse der drei Konstituentenquarks weniger als zwei Prozent der Gesamtmasse aus. Der weitaus überwiegende Anteil der Masse rührt offenbar von der Bewegungs- und Wechselwirkungsenergie der im Nukleon eingesperrten Quarks her. Auch hierzu sollen die Experimente mit hochenergetischen Antiprotonen- und Ionenstrahlen neue Erkenntnisse liefern.

Schließlich möchten die Physiker nach neuen Formen hadronischer Materie suchen. Die Theorie der Starken Kraft sagt z. B. die Existenz von Gluonenbällen voraus, die nur aus Gluonen bestehen, oder von Hybriden, die aus zwei Quarks und einem dazwischen oszillierenden Gluon aufgebaut sind.

Bild: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Trennung von Quark-Paaren
Bild: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Gluonenbälle
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Trennung von Quark-Paaren
Gluonenbälle
In der Natur treten Quarks nie isoliert auf, sondern immer in Paaren oder Dreierkombinationen. Versucht man Quark-Antiquark-Paare zu trennen, muss man riesige Energien aufwenden und es entstehen neue Paare.
An der neuen Anlage soll nach unbekannten Formen hadronischer Materie gesucht werden. Die Theorie der Starken Kraft sagt zum Beispiel die Existenz von Gluonenbällen voraus. Oder von so genannten Hybriden, die nur aus zwei Quarks und einem dazwischen schwingenden Gluon aufgebaut sind.
Bild: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Bild: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung