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Lexikon der Astronomie: Gluonen

Die Gluonen (engl. to glue: kleben) sind die acht masselosen, elektrisch neutralen, aber farbgeladenen Austauschteilchen der starken Wechselwirkung. Die Physiker nennen diese acht Eichbosonen auch das Farboktett. Gluonen werden im Rahmen der Quantenchromodynamik (QCD) quantenfeldtheoretisch beschrieben.

Stark anfangen, schnell nachlassen

Die starke Wechselwirkung ist in der Tat die stärkste unter allen vier Kräften, wenn man die Kopplungen betrachtet. Aber sie ist auch extrem kurzreichweitig: nach nur etwa einem 'Fermi' – einem Femtometer im Jargon der Kernphysiker, also 10-15 Metern, was etwa dem Durchmesser der Nukleonen entspricht – ist Schluss mit starker Wechselwirkung! Das verwundert ein wenig, weil die Gluonen doch masselos sind und somit eine unendliche Reichweite gemäß der Behandlung mit einem Yukawa-Potential haben sollten (vergleiche Photonen und Gravitonen).

Auch Gluonen mögen's bunt

Die Auflösung dieses Paradoxons ist verblüffend: Erstaunlicherweise tragen die Gluonen selbst die so genannte Farbladung (dagegen ist das Photon der Quantenelektrodynamik elektrisch neutral), was bedeutet, dass sie auch untereinander (also auch ohne Quarks) stark wechselwirken:

Gluonen spüren die Kräfte, die sie vermitteln!

Die räumliche Separation von Quarks, also eine Erhöhung des Abstands, führt zu sehr starken Gluonenfeldern zwischen ihnen. Die Feldenergie reicht aus, um über den Mechanismus der Paarbildung mindestens ein Paar aus Quark und entsprechendem Antiquark zu bilden. Diese Quarkpaare konstituieren wiederum farbneutrale (man sagt auch 'weiße') Mesonen. Die Farbneutralität bedeutet, dass nun auch keine starke Wechselwirkung mehr auftritt. Die starke Wechselwirkung ist zwar rein formal und Yukawa-konsistent unendlich, aber eine Abwesenheit von farbgeladenen Teilchen bei typischen Abständen im Fermi-Bereich führt zu ihrem Verschwinden.
Die Farbladung der Gluonen gestaltet die QCD komplizierter, als andere Quantenfeldtheorien. Die Wechselwirkung unter den Gluonen kann auch dazu führen, dass sie gebundene Systeme bilden, die man als Gluonium oder Glueballs (dt. Gluonenbälle) bezeichnet. Diese Form der Materie wurde allerdings noch nicht experimentell nachgewiesen.

Erster Nachweis in Deutschland

Sehr wohl wurden die Gluonen jedoch einzeln indirekt nachgewiesen. Dieser Nachweis geschah erstmals 1979 in Deutschland, in der Positron-Elektron-Tandem-Ring-Anlage (PETRA) am Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY) in Hamburg. Die Kollaboration um Paul Söding, Günter Wolf, Björn Wiik und Sau Lan Wu schloss von sternförmigen hadronischen Jets auf ein kurzzeitig existentes Gluon.
Der schnelle Zerfall von Gluonen in Quark-Antiquark-Paare führt zur schnellen Bildung von Hadronen in der Umgebung. In Teilchenbeschleunigern messen die Teilchenphysiker sie als hadronische Jets, also hadronische Teilchenströme.

Jet ist nicht gleich Jet

Diese Jets der Teilchenphysik sind jedoch scharf von den kosmischen Jets abzugrenzen! Der Begriff 'hadronischer Jet' ist zwar dort auch zu finden, meint aber makroskopische Jets auf der kpc- oder Mpc-Skala, die eine signifikante Menge an Protonen enthalten.

Gruppentheorie

Die Beschreibung der starken Eichbosonen im Rahmen der QCD gelingt mit einer speziellen, unitären Symmetriegruppe, der Farb-SU(3). Dieser Umstand lässt unmittelbar die Zahl der Gluonen ableiten: Weil generell eine spezielle, unitäre Gruppe SU(N) gerade N2 – 1 linear unabhängige N × N -Matrizen oder Generatoren hat (die als die Eichbosonen der Eichtheorie interpretiert werden), muss die Farb-SU(3) 32 – 1 = 8 Gluonen besitzen!

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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