Quark-Effekte

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Normalerweise brauchen sich Physiker nicht sonderlich darum zu scheren, dass Protonen und Neutronen keine unteilbaren Elementarteilchen sind, sondern ihrerseits aus den so genannten Quarks bestehen. Denn normalerweise kommen sie nicht als freie Teilchen vor, und ihre Existenz spielt in vielen Experimenten keine Rolle. Bei hochenergetischen Kollisionsversuchen sieht das jedoch anders aus. So gelang es nun einem Team aus über achtzig Forschern zum ersten Mal, den Einfluss der Quarks bei einer Kernreaktion nachzuweisen.

Thorsten Krome

Ein Atomkern besteht aus Neutronen und Protonen. Doch auch diese Elementarteilchen sind aus kleineren Bausteinen zusammengesetzt – den Quarks. So bilden ein Up-Quark und zwei Down-Quarks ein Neutron sowie zwei Up-Quarks und ein Down-Quark ein Proton. Diese Erkenntnis hat in der Kernphysik jedoch eher theoretischen Charakter, den trifft ein niederenergetisches Teilchen auf einen Atomkern, so lässt sich das Verhalten der Kollisionspartner voll und ganz mit dem Modell aus Neutronen und Protonen beschreiben.

Treffen allerdings hochenergetische Teilchen auf einen Atomkern, dann dringen diese oftmals so tief in ihn ein, dass die einfache Theorie zusammenbricht und man Quarks und so genannte Gluonen zur Beschreibung der Ereignisse heranziehen muss. Schließlich gibt es auch einen Übergangsbereich, in dem keine der beiden Beschreibungen so richtig zu passen scheint. Gerade dieser Bereich interessiert die Physiker. Zu ihm versuchen sie vorzustoßen, indem sie das Verhalten des Deuterons studieren – eines Wasserstoffkerns, der ein zusätzliches Neutron enthält.

In Experimenten am Jefferson Lab in Virginia schickte dazu ein Forscherteam von mehreren amerikanischen Instituten sowie einer niederländischen und armenischen Forschungseinrichtung hochenergetische Elektronen auf eine Kupferprobe. Dabei bremste das Kupfer die Elektronen ab, was eine intensive Bremsstrahlung freisetzte. Diese hochenergetischen Photonen lenkten Forscher nun auf eine Deuterium-Probe, wodurch der Deuterium-Kern (Deuteron) in seine Bestandteile – ein Proton und ein Neutron – zerbrach.

Die Forscher untersuchten nun die Eigenschaften der emittierten Protonen, die in verschiedenen Winkeln vom Ort der Kollision abstrahlten. Es stellte sich heraus, dass sich Protonen, die mit einem bestimmten Impuls senkrecht zum eintreffenden Photonenstrahl emittiert wurden, am besten durch ein Modell beschreiben ließen, was das Verhalten einzelner Quarks berücksichtigt.

Rechnungen ergaben dabei, dass die Photonen offenbar auf einem Bereich von nur 0,1 Fermi mit dem Kern wechselwirkten; ein Fermi ist der Millionste Teil eines Milliardstel Meters. Ein Proton ist rund zehnmal so groß, was den Schluss nahe legt, dass ein einzelnes Quark anstelle eines ganzen Nukleons die Energie der Kollision absorbierte. Das wäre allerdings verblüffend, denn 0,1 Fermi ist wesentlich größer als der Wert, ab dem sich laut der Theorie der Einfluss der Quarks zeigen sollte. So besteht laut Auffassung der Forscher noch einiger Bedarf an weiteren Messungen und theoretischen Überlegungen, um ein vollständiges Bild der Prozesse zu erhalten.