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Gluonenbälle - Gebilde aus reiner Kernkraft

Die Quanten der starken Wechselwirkung, die Gluonen, halten nicht nur die Teilchen im Atomkern zusammen. Sie können auch selbst Klümpchen aus purer Kernkraft bilden. Jetzt finden die Teilchenphysiker Hinweise auf die Natur dieser flüchtigen Kraftpakete.


Photonen – die Quanten des Lichts – sind bindungsscheue Einzelgänger: Sie vereinen sich niemals miteinander zu zusammengesetzten Gebilden aus reiner Strahlung. Anders die Gluonen (von glue, Leim), welche die kleinsten Grundbausteine der Materie, die Quarks, zu Protonen, Neutronen und anderen Materieteilchen zusammenkleben. Gluonen können quasi Leimklumpen bilden, sogenannte Gluonenbälle.

Ein derartiges Objekt hat vermutlich einen Durchmesser von 10-15 Metern, kleiner als ein Proton; seine Lebensdauer ist kürzer als die Zeit, die Licht zum Durchqueren eines Wasserstoffatoms benötigt. Trotz der extremen Flüchtigkeit solcher Partikel sind viele Physiker seit kurzem überzeugt, daß Gluonenbälle in Experimenten nachweisbare Spuren hinterlassen.

Ihr Nachweis wäre der Höhepunkt einer spannenden Forschungsgeschichte. In den sechziger Jahren erkannte man, daß Kernteilchen (Protonen und Neutronen) sich aus noch kleineren Bestandteilen, den Quarks, zusammensetzen. Quarks tragen nicht nur Bruchteile der elektrischen Elementarladung, sondern haben noch merkwürdigere Eigenschaften. So unterscheidet man sechs Quark-Typen nach ihrem Flavor (englisch für Geschmack) und hat ihnen die seltsamen Namen up, down, charm, strange, top und bottom verliehen.

Eine weitere Eigenschaft ist die sogenannte Farbladung: Ein up-Quark hat nicht nur seinen Flavor, sondern kann zusätzlich einen von drei Werten annehmen, die man beispielsweise rot, gelb und blau tauft.

Ein blaues Quark verbindet sich mit einem roten und einem gelben zu einem Partikel ohne Farbladung. Bei diesem "farblosen" Gebilde kann es sich um ein Proton, ein Neutron oder irgendein anderes Baryon – ein aus drei Quarks bestehendes Teilchen – handeln. Die Bezeichnung Farbe für diese Quark-Ladung hat sich eingebürgert, weil die Summe aller drei Ladungen stets null ergibt, so wie die drei Grundfarben sich zu farblosem Weiß überlagern. Zwischen unterschiedlichen Farben wirkt die starke Kernkraft und verknüpft die Quarks zu den größeren Teilchen, die man in der Kernphysik schon seit längerem studiert.

Quarks können sich auch mit Antiquarks verbinden, das heißt mit Teilchen entgegengesetzter Ladungen. Ein rotes Quark verbindet sich mit einem antiroten Antiquark zu einem farblosen Objekt, das leichter ist als die aus drei Quarks zusammengesetzten Baryonen: einem Meson. Das bekannteste Meson ist das Pion, das man häufig bei Kernreaktionen beobachtet.

Elektrische und Farbladungen verhalten sich in mancher Hinsicht analog. Die Theorie des Elektromagnetismus beschreibt die Anziehung zwischen entgegengesetzten elektrischen Ladungen. In den vierziger Jahren verbanden die Physiker diese Theorie mit der Relativitäts- und der Quantentheorie zur Quantenelektrodynamik (QED) – der präzisesten physikalischen Theorie überhaupt. Ihr zufolge wird die elektromagnetische Kraft durch den Austausch masseloser Lichtquanten, der Photonen, übertragen. Diese Quanten der Wechselwirkung erzeugen eine anziehende Kraft, indem sie fortwährend zwischen zwei Partikeln ausgetauscht werden – zum Beispiel zwischen einem Elektron und seinem Antiteilchen, dem Positron.

Die analoge Theorie für die starke Wechselwirkung heißt Quantenchromodynamik (QCD); auch sie beschreibt die Anziehung zwischen Farbladungen mittels masseloser Austauschteilchen. Doch die Quanten der starken Kraft, die Gluonen, unterscheiden sich grundsätzlich von den Photonen.

Photonen vermitteln zwar die Anziehung von elektrisch entgegengesetzt geladenen Teilchen, aber sie selbst tragen keine Ladung und können einander deshalb weder abstoßen noch anziehen. Gluonen hingegen haben selbst eine Farbe. Zum Beispiel kann sich ein rotes Quark in ein blaues verwandeln, indem es ein rot/antiblaues Gluon emittiert. Somit vermag ein Gluon grundsätzlich ein anderes anzuziehen.

Aus diesem Grund verhält sich das Gluon absonderlicher als sein elektromagnetisches Gegenstück. Photonen umgeben ein Elektron gleichmäßig; sie bilden eine kugelsymmetrische Hülle mit dem Elektron im Zentrum. Zudem sinkt die Photonendichte mit der Entfernung, so daß die Anziehung zwischen Elektron und Positron mit dem umgekehrten Quadrat ihres Abstands abnimmt. Gluonen sind nicht so gleichmäßig verteilt, sondern ziehen sich zu einem Schlauch zusammen, der Quark und Antiquark miteinander verbindet. Die Farbe des Quarks fließt gleichsam durch diesen Gluonenschlauch zum Antiquark und wird dort absorbiert.



Gluonenschläuche – zäh, aber nicht unzerreißbar



Wird der Schlauch gedehnt, so widersteht er dem mit einer konstanten Kraft, die von seiner Länge unabhängig ist. Somit wäre unendlich viel Energie nötig, um ihn unendlich lang zu dehnen; das heißt, Quark und Antiquark lassen sich nicht voneinander trennen. Darum auch treten Quarks niemals einzeln auf: Die Natur verabscheut es, Farbe zu zeigen. Allerdings kann ein Gluonenschlauch, der etwa ein Meson zusammenhält, in zwei Teile auseinanderbrechen. Die farbigen Enden der neuen Schläuche entsprechen dann einem Quark beziehungsweise Antiquark, so daß das Meson sich in zwei neue Mesonen aufspaltet (siehe Graphik unten).

Zumindest theoretisch paßt dieses Verhalten der Gluonen zu den experimentellen Beobachtungen – aber gibt es solche Kraftpakete wirklich? Den deutlichsten Hinweis liefert die Vernichtung eines Elektrons mit einem Positron. Die dabei freigesetzte Energie materialisiert sich häufig in Form eines Quarks und eines Antiquarks, die in entgegengesetzte Richtungen davonschießen, wobei der Schlauch zwischen ihnen in einen Schauer aus Mesonen und Baryonen zerstiebt. Im Experiment sieht man deshalb zwei entgegengesetzt austretende Teilchenbündel oder Jets.

Doch manchmal emittiert das Quark oder das Antiquark ein Gluon, wodurch insgesamt drei Jets entstehen (siehe Kasten auf Seite 49). Erstmals hat man solche 3-Jet-Ereignisse 1975 am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg beobachtet. Erfreulicherweise entsprachen sie exakt den Vorhersagen der QCD-Theoretiker. Solche Experimente haben außerdem bestätigt, daß Gluonen ihrerseits Gluonen aussenden können.

Weitere Versuche bei DESY, in denen man den inneren Aufbau von Protonen durch Beschuß mit energiereichen Elektronen untersuchte, haben indirekt die Existenz von Gluonen bestätigt. Aber vielleicht lassen Gluonen sich sogar direkt nachweisen. Im Jahre 1972 sagten Harald Fritzsch und Murray Gell-Mann, die damals am California Institute of Technology zusammenarbeiteten, voraus, daß zwei oder mehr Gluonen – etwa ein rot/antiblaues und ein blau/antirotes – sich zu einem farbneutralen, stark gebundenen Teilchen kombinieren könnten, eben einem Gluonenball. Die beiden Theoretiker nahmen außerdem an, ein Gluon könne sich mit einem Meson zu einem Hybridteilchen verbinden. So bilden vielleicht ein rotes Quark und ein antiblaues Antiquark zusammen mit einem blau/antiroten Gluon solch eine weiße Kombination.

Der Vorschlag der beiden Teilchenforscher hatte zwar Eleganz; doch die Quantenchromodynamik ist leider – ganz im Gegensatz zur Quantenelektrodynamik – eine extrem unhandliche Theorie. Die Eigenart der starken Wechselwirkung macht exakte Berechnungen unmöglich. Fast alles, was Theoretiker über Farbe und Gluonen wissen, stammt aus aufwendigen Computersimulationen mit Hilfe einer mathematischen Näherung, der sogenannten Gitter-QCD (siehe "Quark-Physik mit dem Supercomputer" von Donald H. Weingarten, Spektrum der Wissenschaft, April 1996, Seite 62).

Bei dieser Näherung wird die Raumzeit nicht als Kontinuum betrachtet, sondern als Gitter aus diskreten Punkten. Ein Quark sitzt in einem Gitterpunkt und ist durch eine Linie mit einem Antiquark verbunden, das sich in einem anderen Punkt aufhält. In diesen Berechnungen taucht tatsächlich ein Gebilde aus purer starker Wechselwirkung auf: eine geschlossene Gluonenlinie wie eine Schlange, die sich in den eigenen Schwanz beißt. Diese Schleife ist die grobe Darstellung eines Gluonenballs.

Der leichteste Gluonenball, den die Theorie zuläßt, entspricht einem kreisförmigen Schlauch und hat keinen Drehimpuls, ein Maß für die Rotation des Gebildes. Nach den Regeln der Quantenmechanik muß ein Objekt ohne Drehimpuls kugelsymmetrisch sein. Tatsächlich kann der Gluonenring alle möglichen Orientierungen im Raum einnehmen, so daß die zugehörige Wellenfunktion, die das Objekt mathematisch beschreibt, einer Kugelschale entspricht. Andere Gluonenbälle sind länglich geformt und haben darum nicht-kugelsymmetrische Wellenfunktionen; deshalb besitzen sie einen Drehimpuls und größere Masse.

Manchmal ist der schnurförmige Gluonenschlauch, der ein Quark-Antiquark-Paar verbindet, sozusagen schlaff; er hängt gleichsam durch und kann wie ein Springseil um die Quark-Antiquark-Achse rotieren. Solche Konfigurationen lassen sich mit Hilfe eines zusätzlichen Gluons beschreiben und entsprechen somit den oben erwähnten Hybridteilchen. Weil die Rotation beträchtliche Energie erfordert, ist die interne Gesamtenergie und somit die Masse eines Hybridteilchens größer als die eines Mesons.

Auch ein gewöhnliches Meson – ohne zusätzliches Gluon – kann rotieren, und zwar um eine Achse, die senkrecht auf die Verbindungslinie zwischen dem Quark und dem Antiquark dieses Teilchens steht. Nur die Mesonen niedrigster Energie weisen diese Rotation nicht auf; sie heißen Teilchen vom S-Wellen-Typ.

Normalerweise zerfällt ein S-Wellen-Meson, etwa ein gewöhnliches Pion, wiederum in zwei S-Wellen-Mesonen. Doch ein Hybrid reagiert nicht auf diese Weise, weil sein innerer Drehimpuls erhalten bleiben muß. Die Theoretiker erwarten darum, daß es sich in ein S-Wellen-Meson sowie ein weiteres kurzlebiges Meson mit internem Drehimpuls verwandelt, welches dann seinerseits in zwei S-Wellen-Mesonen zerfällt. Alles in allem müßte ein Hybrid demnach daran zu erkennen sein, daß mindestens drei S-Wellen-Mesonen auftreten.

Viele Jahre lang sah es ganz so aus, als würde all das graue Theorie bleiben, denn es ist äußerst schwierig, experimentell nachzuweisen, daß alle drei Mesonen aus ein und demselben Zerfall stammen; und darum machte kaum jemand sich auf die Suche. Im Dezember 1994 gelang es uns an der Universität Oxford, alle möglichen Zerfälle von Hybriden zu berechnen; in unserem Modell besteht der Glue-Schlauch aus einer Kette von Kügelchen, die einzelnen Gluonen entsprechen. Die Ergebnisse ähneln denen von Gitterberechnungen, sind jedoch auf eine größere Zahl von Situationen anwendbar. Bislang läßt sich nämlich der Zerfall von Hybriden nicht mit Gittermodellen beschreiben, doch das könnte sich bald ändern. Zu unserer Überraschung erkannten wir, daß möglicherweise Anfang desselben Jahres ein Hybrid entdeckt worden war.

Im Sommer 1994 hatten Forscher am Institut für Hochenergiephysik in Protwino (Rußland) über ein Objekt namens p(1800) berichtet, das aus der Kollision von Pionen mit Protonen hervorgegangen war; die Zahl in Klammern bezeichnet die Masse in Millionen Elektronenvolt (MeV). Dieses Teilchen besitzt die Quantenmerkmale und Zerfallsmuster eines Hybrid-Mesons.

Leider ist die Identität von p(1800) noch immer ungewiß. Doch kürzlich hat man Indizien für spezielle Hybride gefunden, sogenannte Exoten. Im Jahre 1997 entdeckte man am Brookhaven-Nationallaboratorium in Upton (New York), wo ebenfalls Protonen mit Pionen beschossen wurden, einen möglichen Hinweis auf ein solches exotisches Teilchen. Bald danach fand auch die Crystal-Barrel-Arbeitsgruppe am CERN, dem europäischen Labor für Teilchenphysik bei Genf, beim Beschuß von Protonen mit Antiprotonen Anzeichen für Exoten (siehe Bild auf Seite 48).

Allerdings wurden diese Objekte nicht über ihren Zerfall in drei S-Wellen-Mesonen entdeckt, sondern bei der Suche nach zwei S-Wellen-Mesonen, einem h (Eta) und einem p (Pion); diese beiden gehören zwar nicht zu den häufigsten Zerfallsprodukten eines Exoten, lassen sich aber leichter nachweisen. Vor kurzem hat das Brookhaven-Team Anzeichen für ein exotisches Teilchen mit anderer Masse entdeckt. Ob diese Objekte tatsächlich Exoten sind, ist noch umstritten.



Wie schwer ist ein Gluonenball?



Pure Gluonenbälle sind sogar noch schwieriger aufzufinden, da bei den meisten Experimenten Endprodukte aus Quarks und Antiquarks gesucht werden. Im Jahre 1993 sagte eine Gruppe an der Universität Edinburgh (Großbritannien) mittels Gittertheorie eine Masse von 1550 MeV für Gluonenbälle voraus. Kurz darauf errechnete Donald Weingarten vom Thomas-J.-Watson-Forschungszentrum der Firma IBM in Yorktown Heights (New York) eine Masse von 1740 MeV. Später schätzte er, daß Gluonenbälle eine Lebensdauer von 10-24 Sekunden haben; diese winzige Zeitspanne würde tatsächlich zum Nachweis von Gluonenbällen ausreichen. Einer von uns (Close) rief damals dazu auf, intensiv im Massebereich zwischen 1500 und 1800 MeV zu suchen – ohne zu ahnen, daß die Crystal-Barrel-Gruppe gerade einem kurzlebigen Objekt namens f0(1500) auf der Spur war. Sein Drehimpuls ist 0 – dies drückt der tiefgestellte Index aus –, während die Masse im vorhergesagten Bereich liegt. Bei diesem Objekt könnte es sich um den leichtesten Gluonenball handeln.

Oder auch nicht. Seit über einem Jahrzehnt wissen Experimentalphysiker von einem Objekt namens fJ(1710), dessen Drehimpuls J noch immer unbekannt ist. Falls J gleich 0 wäre, dann könnte dieses Objekt ein weiterer Kandidat für einen Gluonenball sein.

Als wäre diese Unsicherheit noch nicht verwirrend genug, macht die Quantenmechanik alles noch schlimmer. Ihr zufolge können zwei Objekte mit denselben Quantenzahlen und ähnlichen Massen gemischte Zustände bilden. Theoretisch gibt es im fraglichen Massebereich zwei Mesonen mit denselben Quantenzahlen wie der Gluonenball. Er könnte sich mit diesen Mesonen zu drei kombinierten Gebilden überlagern, die teilweise aus Gluonen bestünden.

Gewisse Eigenschaften der Objekte f0(1500) und fJ(1710) scheinen in der Tat anzudeuten, daß sie nur ungefähr zur Hälfte Gluonenbälle sind. Leider reichen die Beweise dafür noch nicht aus.

Anfang 1999 werden in den USA und Japan Beschleuniger in Betrieb gehen, die große Mengen von B-Mesonen erzeugen (siehe "Die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie" von Helen R. Quinn und Michael S. Witherell, Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1998, Seite 90). Unter anderem eröffnen diese Mesonen einen vielversprechenden Weg zur Erzeugung von Gluonenbällen und Hybriden.

Am Thomas-Jefferson-Beschleuniger in Newport News (US-Bundesstaat Virginia) werden 1999 ebenfalls einschlägige Präzisionsexperimente beginnen, und im Jahre 2001 wird auch das CERN sich an der Suche beteiligen. Wir hoffen sehr, daß eines dieser Experimente eindeutige Beweise für Gebilde liefert, die sich nur aus Gluonen zusammensetzen.

Literaturhinweise

Teilchen, Felder und Symmetrien. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1995.

The Quark Structure of Matter. Von Frank Close in: The New Physics. Herausgegeben von Paul Davies. Cambridge University Press, 1989.

Glueballs and Hybrids: New States of Matter. Von F. E. Close in: Contemporary Physics, Band 38, Heft 1, Seiten 1 bis 12, Januar 1997.

Particle Physics: Exotic Meson Plays Hard-to-Get. Von F. E. Close in: Nature, Band 389, Seiten 230 bis 231, 18. September 1997.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1999, Seite 48
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
1 / 1999

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 1 / 1999

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