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StartseiteForschung aktuellProtonen sind doch nicht so seltsam26.04.2006

Protonen sind doch nicht so seltsam

Forscher revidieren Ansichten über "Strange-Quarks"

Kernphysik. - Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen. Und diese Kernbausteine wiederum aus noch winzigeren Elementarteilchen - den Quarks. Die Quarks sind neben den Elektronen also die Grundbausteine der Materie. Protonen bestehen aus jeweils drei Quarks - so steht es in den Schulbüchern - aber natürlich ist die Sache komplizierter. Allerdings, so wurde jetzt auf der April-Tagung der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft verkündet, offenbar nicht so kompliziert, wie mancher Forscher befürchtet hatte.

Von Ralf Krauter

Protonen waren in der Vergangenheit eigentlich immer für eine Überraschung gut. Doch diesmal besteht die Überraschung darin, dass es keine Überraschung gibt. Der Versuch herauszufinden, welchen Einfluss die exotischen Strange-Quarks auf die Eigenschaften von Protonen haben, endete mit negativem Ergebnis. Will heißen: Strange-Quarks spielen - wenn überhaupt - nur eine marginale Rolle.

Aber der Reihe nach: Protonen sind im Prinzip nicht anderes als eine Art Tasche mit drei Quarks und einer Menge Füllmaterial darin, erklärt Professor Paul Souder von der Syracuse University im US-Bundestaat New York. Aber das Füllmaterial, sagt Souder das habe es in sich, weil es für einen Großteil der Masse des Protons verantwortlich ist.

"Dieses Füllmaterial besteht zum einen aus zahllosen Gluonen - also jenen Klebstoffteilchen, die die Quark-Trios zusammenhalten. Daneben gibt es aber auch noch weitere Quarks, die jeweils paarweise mit ihren Antiteilchen entstehen und dann sofort wieder verschwinden. Und für diese Kurzbesuche in der Tasche kommen nicht nur die sowieso im Proton enthaltenen beiden Quarktypen Up und Down in Frage, sondern auch das deutlich schwerere 'Strange-Quark'."

Protonen ähneln wenn man so will also einer Wohngemeinschaft in der es neben drei dauerhaften Bewohnern auch häufig wechselnde Besucher gibt. Die Stammbesatzung besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark. Die Besucher, das sind Zwillingspaare aus Quarks und Antiquarks, die nach den Gesetzen der Quantenmechanik aus dem Nichts auftauchen können und nach einem Sekundenbruchteil wieder verschwinden.

Nun können bei Wohngemeinschaften aus nahe liegenden Gründen bereits kurze Fremdenbesuche dazu führen, dass der Haussegen danach schief hängt. Wie also verkraftet die Quark-Trio-Stammbesatzung des Protons den unangemeldeten Kurzbesuch der schwergewichtigen Strange-Quarks? Antworten auf diese Frage suchen Teilchenphysiker seit Jahren mit gigantischen Versuchsanlagen. Eine davon steht in Halle A des Jefferson Labors in Virginia. Happex heißt das Experiment, bei dem ein energiereicher Strahl polarisierter Elektronen in tiefgekühlten flüssigen Wasserstoff und in Helium geschossen wird. Die Ablenkung der Elektronen soll verraten, inwieweit Strange-Quarks die elektrischen und magnetischen Eigenschaften von Protonen beeinflussen. Souder:

"Die neuesten Ergebnisse unserer Messungen sind exakt so, wie man es erwarten würde, wenn die Strange-Quarks überhaupt nicht da wären. Das heißt nicht, dass sie nicht da sind, aber sie hinterlassen eben praktisch keine Spuren. Sie beeinflussen weder die elektrische Ladung noch die magnetischen Eigenschaften des Protons nennenswert. Und bei einem so komplizierten zusammengesetzten Objekt wie einem Proton ist das schon eine gute Nachricht zu wissen: Über den Einfluss der Strange-Quarks müssen wir uns keine großen Sorgen mehr machen."

Im Klartext heißt das: Bei allen künftigen Experimenten mit Protonen gibt es ab sofort einen wichtigen Unsicherheitsfaktor weniger. Das erleichtert Theoretikern und Experimentalphysikern gleichermaßen die Arbeit. Da die neuen Daten das Ergebnis ultrapräziser Messungen sind, dürfte damit ein länger währender wissenschaftlicher Disput ein Ende finden. Denn nun scheint klar: Protonen sind weniger strange, als eine andere US-Forschergruppe noch im vergangenen Sommer schlagzeilenträchtig behauptet hatte. Praktische Auswirkungen hat diese Erkenntnis zwar nicht, aber sie ist ein wichtiger Schritt hin zu einem besseren Verständnis der starken Wechselwirkung - also jener Naturkraft, die Quarks und Atomkerne zusammenhält.

"Die starke Wechselwirkung spielt bei vielen grundlegenden Fragen der Physik eine zentrale Rolle. Denken sie nur an die mysteriöse dunkle Materie. Ohne ein detaillierteres Verständnis der starken Wechselwirkung, kommen wir da nicht weiter. Natürlich ist die Suche nach neuen Erkenntnissen in diesem Bereich ein langwieriger Prozess. Unsere Arbeit ist ein Schritt auf dem Weg dahin."

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