Quantenchromodynamik
Die Quantenchromodynamik (QCD) ist die quantenfeldtheoretische Beschreibung der starken Wechselwirkung.
Die Grundbausteine der Theorie sind Quarks und Gluonen. Quarks bauen u.a. Nukleonen (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, das heißt bei kurzen Abständen und hohen Impulsüberträgen nähert sie sich der freien Theorie. Bei größeren Abständen wird die Wechselwirkung hingegen stärker, und führt zum Confinement.
Die QCD ist komplizierter als die QED, da gleichzeitig drei Farbladungstypen ('rot', 'grün' und 'blau' genannt) mit entsprechenden Antifarben ('antirot', antigrün' und 'antiblau') auftreten. Daneben tragen die Gluonen selbst auch eine Farbladung und wechselwirken somit untereinander. Aus den genannten Gründen mag es einsichtig sein, dass Berechnungen in der QCD aufwändiger sind als in der QED.
Daneben ist die Stärke der Wechselwirkung in der QCD bei niedrigen Energien weitaus höher als in der QED. Das führt u.a. dazu, dass Nukleonen im Atomkern viel stärker aneinander gebunden sind als etwa die Elektronen an den Atomkern.
Dem Laien ist oft der Unterschied 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 („Asymptotic Freedom“). 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.