Von Richard Webb
Frage: Wann ist eine starke Kraft keine starke Kraft? Antwort: wenn es irgendwo außerhalb des Atomkerns ist. Dies ist zumindest bei der starken Kernkraft der Fall, einer von vier Grundkräften der Natur (die anderen sind Elektromagnetismus, Schwerkraft und die schwache Kernkraft).
Die starke Kraft hält Quarks, die fundamentalen Teilchen, aus denen die Protonen und Neutronen des Atomkerns bestehen, zusammen und hält Protonen und Neutronen weiter zusammen, um Atomkerne zu bilden., Als solches ist es für die zugrunde liegende Stabilität der Materie verantwortlich. Seine enorme Kraft ist auch das, was bei der Kernfusion in der Sonne oder bei der Kernspaltung in einer Atombombe freigesetzt wird.
Auf subatomaren Skalen von etwa 1 Femtometer oder 10-15m ist es bei weitem die stärkste der vier Kräfte, 137 mal stärker als der Elektromagnetismus und eine Million Mal stärker als die schwache Wechselwirkung. (Die Schwerkraft ist so schwach, dass sie auf diesen Skalen völlig irrelevant ist.) Die Tatsache, dass es auf größeren Skalen unbedeutend ist, ist der paradoxe Effekt einer seltsamen starken Kraft-Macke., Das Photon, das die elektromagnetische Kraft überträgt, hat keine elektrische Ladung, aber die als Gluonen bekannten Teilchen, die die starke Kraft übertragen, tragen die äquivalente starke Kraft „Farbladung“. Sie nehmen daher an ihrer eigenen Kraft teil und können mit sich selbst interagieren.
Das Ergebnis ist, dass, während der Elektromagnetismus schwächer wird, wenn elektrisch geladene Teilchen weiter voneinander entfernt sind, wenn Sie versuchen, Quarks und die Gluonen, die sie binden, auseinander zu ziehen, die Kraft zwischen ihnen stärker wird und sie wieder zusammenhält., Dieses Phänomen, bekannt als asymptotische Freiheit, bedeutet, dass starke Krafteffekte niemals über einer bestimmten Längenskala spürbar sind. Es erklärt auch, warum weder Quarks noch Gluonen eine eigenständige Existenz haben können. Sie erscheinen immer nur als Teil größerer Verbundteilchen wie Protonen und Neutronen.
Es gibt eine ganze Menagerie solcher Partikel, die aus Kombinationen von sechs Arten oder „Aromen“ von Quarks bestehen – oben, unten, unten, oben, unten und oben – sowie deren äquivalente Antiteilchen., Welche Kombinationen von Quarks erlaubt sind, wird durch zwei weitere Komplikationen bestimmt.
Zunächst tragen Quarks nicht nur eine Ladung, sondern auch eine elektrische Ladung von einem Bruchteil einer ganzen Zahl: +2/3 (oben, oben und oben Quarks), -1/3 (unten, unten und unten Quarks), -2/3 (oben, Charme und oben Antiquarks) oder +1/3 (unten, seltsam und unten Antiquarks). Verbundteilchen aus Quarks dürfen jedoch nur eine elektrische Ladung haben. Zweitens gibt es nicht nur eine Art von Farbladung, wie bei elektrischer Ladung, sondern drei: rot, Grün und Blau., Die Quarks innerhalb von Partikeln können ihre Farbe ändern, solange sie ein Gesamtgleichgewicht zwischen den Farben erhalten.
Das Nettoergebnis von all dem ist, dass es nur zwei lebensfähige Arten von Quark-Komposit gibt: Baryonen, die aus drei Quarks (und ihren äquivalenten Antibaryonen, die aus drei Antiquarks bestehen) gebildet werden; und Mesonen, die Quark-Antiquark-Paare sind.,
Das Proton und das Neutron, die einzigen Teilchen mit starker Kraft, die in unserer gegenwärtigen Welt eine dauerhafte Existenz haben, sind beide Baryonen mit den Quark-Konfigurationen (uud) für das Proton mit seiner elektrischen Ladung +1; und (udd) für das Neutron, was zu einer insgesamt neutralen elektrischen Ladung führt. Der Unterschied in den Konfigurationen bedeutet auch, dass das Neutron immer so etwas schwerer als das Proton ist. Diese Tatsache bedeutet, dass das Proton, soweit jemand weiß, nicht zerfällt – eine Grundvoraussetzung für die Stabilität der atomaren Materie und so für unsere Existenz.,
Das Quark-Modell wurde in den frühen 1960er Jahren von den Physikern Murray Gell-Mann und George Zweig unabhängig voneinander entwickelt (der Name „Quark“ war ein Unsinnwort aus James Joyces Finnegans Wake, von dem Gell-Mann zufällig den Klang von mochte). Seine zugrunde liegenden Muster erklärten eine Fülle von Partikeln verschiedener Massen, die in Beschleunigerexperimenten scheinbar ohne Reim oder Grund auftauchten., Im Jahr 1973 entdeckten David Gross und Frank Wilczek und unabhängig David Politzer die Schlüsseleigenschaft der asymptotischen Freiheit, die der Quantenchromodynamik zugrunde liegt, oder QCD, der Quantenfeldtheorie der starken Kraft – eine Leistung, für die alle drei den Nobelpreis für Physik 2004 teilten.
QCD ist eine von zwei Quantenfeldtheorien, zusammen mit der Quantenelektrodynamik oder QED, der einheitlichen Theorie des Elektromagnetismus und der schwachen Kernkraft, die zusammen die lose Assoziation bilden, die als Standardmodell der Teilchenphysik bekannt ist., Es bleibt eine große Hoffnung der Physiker, dass QCD und QED eines Tages selbst in einer Theorie vereint sein könnten. Es wird angenommen, dass das Electroweak und die starken Kräfte in den unglaublich heißen ersten Momenten des Universums als eins fungiert haben. Beweise für diese „Grand Unified Theory“ zu finden, würde die Wiederherstellung dieser hochenergetischen Bedingungen erfordern, eine Aufgabe, die derzeit sogar über den großen Hadron-Collider des CERN hinausgeht, den muskulösesten Teilchen-Smasher, den wir haben.
In der Zwischenzeit bleibt QCD eine teuflisch schwierige Kraft, um Berechnungen alleine durchzuführen., Die unzähligen Wechselwirkungen mit starker Kraft zwischen Quarks und Gluonen innerhalb von Teilchen wie Protonen und Neutronen können nur durch Approximationen behandelt werden, in einer Technik, die als Gitter QCD bekannt ist. Das ist ein Grund, warum einige ziemlich grundlegende Fakten über starke Kräfte, wie zum Beispiel, wie groß ein Proton ist, sehr umstritten bleiben.