Seit Jahrzehnten streiten sich Forschende um einen der wichtigsten Bausteine unserer Welt: das Proton. Dieses Teilchen ist Teil eines jeden Atomkerns, und damit aller bekannten Materie des Universums. Doch wie es zu seinen Eigenschaften kommt, ist ein Rätsel. Denn nun zeigen Experimente am weltgrößten Teilchenbeschleuniger des CERN, dass eine grundlegende Eigenschaft des Protons nicht von den Teilchen ausgeht, aus denen es eigentlich besteht – sondern von der Kraft, die sie verbindet. Wie Forschende von der STAR-Collaboration, einem internationalen Forschungsverbund, in einer bei der Fachzeitschrift »Science« veröffentlichten Arbeit erklären, spielen Gluonen, die Träger der starken Kernkraft, im Inneren der Protonen eine wichtigere Rolle als bisher angenommen.

Schon lange ist bekannt, dass das Proton nicht elementar ist, sondern seinerseits aus drei Quarks besteht. Im Prinzip genau wie ein Atomkern aus Protonen und Neutronen aufgebaut ist. In den vergangenen Jahren zeigte sich jedoch, dass das Innenleben des Protons weit komplizierter ist. Es zeichnet sich ab, dass auch Gluonen – die eigentlich nur als Überträgerteilchen zwischen den Quarks ausgetauscht werden – die Eigenschaften von Protonen erheblich beeinflussen.

Damit fingen Diskussionen rund um die sogenannte Baryonenzahl an. Das Proton ist ein Baryon, also hat seine Baryonenzahl den Wert eins. Das klingt banal, doch die Baryonenzahl ist eine Erhaltungsgröße: Die gesamte Baryonenzahl aller beteiligten Teilchen bleibt über alle Reaktionen hinweg gleich. Würde man also die drei Quarks im Proton einzeln betrachten, müssten sich ihre Baryonenzahlen zu eins addieren – dachten die allermeisten Fachleute bisher jedenfalls: Die drei Quarks im Innern des Protons legen die Baryonenzahl fest. Doch mit dem wandelnden Bild des Protons äußerten einige Experten die Ansicht, dass auch Gluonen die Baryonenzahl beeinflussen könnten.

Und wie es nun scheint, hatten Letztere recht. Die STAR-Collaboration kommt anhand dreier verschiedener Untersuchungen zu diesem Fazit. Die Forschenden haben hierzu Daten von Experimenten mit hochenergetischen Photonen und Protonen sowie mit Protonenkollisionen analysiert. Darüber hinaus haben die Forschenden untersucht, wie sich die Baryonenzahl und die elektrische Ladung in den Experimenten auf die in der Kollision entstehenden neuen Teilchen verteilten und mit ihnen ausbreiteten. Alle drei Untersuchungen deuteten darauf hin, dass nicht die drei Quarks die Baryonenzahl transportieren, sondern die Gluonen. Das zeigt sich insbesondere daran, dass sich die elektrische Ladung (welche die Quarks tragen, im Gegensatz zu den neutralen Gluonen) in andere Richtungen ausbreitete als die Baryonenzahl.

Doch damit sind noch nicht alle Fragen beigelegt. »Obwohl die Ergebnisse darauf hindeuten, dass Gluonen zum Transport der Baryonenzahl bei hochenergetischen Kernkollisionen beitragen, liefern die Messungen keine direkten Nachweise für den zugrunde liegenden Mechanismus«, schreibt der Physiker Wenliang Li von der Mississippi State University in einem begleitenden Artikel bei »Science«. »Die Klärung dieser Fragen, könnte dazu beitragen, zu verstehen, wie die starke Kernkraft zwischen subatomaren Teilchen stabile Materie organisiert und bildet – und was das Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie im Universum verursacht.«