Quantenchromodynamik
Die Quantenchromodynamik (QCD) ist die quantenfeldtheoretische Beschreibung der starken Wechselwirkung.
Die Grundbausteine der Theorie sind Quarks und Gluonen. Quarks bauen u.a. Protonen und Neutronen (und damit den Atomkern) auf, Gluonen vermitteln die Wechselwirkung zwischen den Quarks.
Konzeptionell ist die QCD an die Quantenelektrodynamik (QED) angelehnt, die die Wechselwirkung elektrisch geladener Teilchen (z.B. Elektron oder Positron) durch Photonen als Eichtheorie beschreibt.
Analog beschreibt die QCD die Wechselwirkung farblich (oder stark) geladener Teilchen (Quarks) durch Gluonen. Die zugrundeliegende Eichtheorie () ist in diesem Fall nicht-abelsch. Als Konsequenz ist die Theorie asymptotisch frei bei kleinen Abständen und bei großen Abständen wird die Wechselwirkung stark, was das Confinement der Quarks verursacht.
Die QCD ist komplizierter als die QED, da gleichzeitig drei Farbladungstypen (rot, grün und blau genannt) mit entsprechenden Antifarben (antirot, antigrün und antiblau) auftreten. Die Gluonen selbst sind auch farbgeladen (sie haben eine Farbe und eine andere Antifarbe) und können somit direkt miteinander wechselwirken. Daneben ist die Stärke der Wechselwirkung in der QCD bei niedrigen Energien weitaus höher als in der QED. Hierzu kann man die Kopplungskonstanten der beiden Theorien vergleichen. Da die Kopplungskonstante der QCD nicht mehr als kleiner Parameter betrachtet werden kann, bricht die Technik zusammen, mit der die QED gelöst wurde, die Störungstheorie. Ein erfolgversprechender Ansatz für QCD bei niedrigen Energien sind Computersimulationen, siehe Gittereichtheorie. Bei hohen Energien ist die Störungstheorie in der QCD wieder anwendbar, aber immer noch deutlich komplizierter als in der QED.
Bei niedrigen Energien existiert weiter eine effektive Theorie, welche viele Effekte der QCD beschreiben kann: die chirale Störungsrechnung. Wie oben erwähnt ist bei niedrigen Energien die Kopplungskonstante zu groß für eine störungstheoretische Lösung, dagegen ist die Störungstheorie aber auf die kleinen Impulse und Quarkmassen anwendbar. Es handelt sich hierbei allerdings nicht um eine fundamentale Theorie. Die Quarks und Gluonen werden nicht beschrieben, zudem enthalten die grundlegenden Gleichungen Konstanten, die experimentell oder mit Computersimulationen bestimmt werden müssen.
Die Stärke der Wechselwirkung führt auch dazu, dass Protonen und Neutronen im Atomkern viel stärker aneinander gebunden sind als etwa die Elektronen an den Atomkern.
Dem Laien ist oft der Unterschied zwischen der elektrischen und der Farbladung (starke Ladung) nicht leicht zu vermitteln. Daher sei hier angemerkt, dass Quarks sowohl eine elektrische als auch eine Farbladung besitzen. Quarks wechselwirken also sowohl „stark“ (d. h. durch Gluonen) als auch elektromagnetisch (d.h. durch Photonen). Da die elektromagnetische Wechselwirkung deutlich geringer ist als die starke, kann man ihren Einfluss in der Regel vernachlässigen und beschränkt sich auf den Einfluss der Farbladung. Dieses gilt allerdings nur innerhalb des Atomkerns, da die starke Wechselwirkung mit zunehmender Entfernung der wechselwirkenden Teilchen exponentiell und somit weitaus stärker als die elektromagnetische Wechselwirkung abnimmt. Somit ist die starke Wechselwirkung auf etwa den Atomkern beschränkt.
Forscher und Nobelpreise
Am 5. Oktober 2004 wurden David Gross, David Politzer und Frank Wilczek für ihre Arbeiten zur Quantenchromodynamik der „starken Wechselwirkung“ mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Sie entdeckten, dass die starke Wechselwirkung der Quarks schwächer wird, je näher sie sich sind. In direkter Nähe verhalten sich Quarks gewissermaßen wie freie Partikel (Asymptotische Freiheit). Andererseits ist die starke Wechselwirkung um so höher, je weiter entfernt Quarks voneinander entfernt sind („Gummiband“-Effekt).
Das Nobelpreiskomitee urteilte, dass die von Gross, Politzer und Wilczek formulierte Theorie der starken Wechselwirkung die Grundlage der Quantenchromodynamik (QCD) darstellt und die Forscher damit einen wesentlichen Beitrag bei der Suche nach der Weltformel geliefert hätten.
Weiterführende Literatur
- Harald Fritzsch: Elementarteilchen, C.H.Beck Verlag, München, 2004