Teilchen und Kerne

Bei der Suche nach den fundamentalen Bausteinen der Materie sind Physiker zu immer kleineren Konstituenten vorgedrungen, die sich später als teilbar erwiesen. Am Ende des 19. Jahrhunderts wußte man, daß alle Materie aus Atomen besteht. Die Existenz von fast 100 Elementen mit sich periodisch wiederholenden Eigenschaften war jedoch ein deutlicher Hinweis darauf, daß die Atome eine innere Struktur haben und nicht unteilbar sind.

Mit der Entdeckung des Elektrons und der Radioaktivität vor ca. 100 Jahren begann eine neue Epoche in der Untersuchung der Materie. Auf einen atomaren Aufbau der Materie gab damals zwar schon deutliche Hinweise, z. B. die ganzzahlige Stöchiometrie in der Chemie, die Thermodynamik der Gase, das periodische System der Elemente oder die Brownschen Bewegung, allgemein war die Existenz von Atomen aber noch nicht allgemein anerkannt. Der Grund war einfach: Niemand konnte sich konkrete Vorstellungen von diesen Bausteinen der Materie, den Atomen, machen. Mit den neuen Entdeckungen aber hatte man zum ersten Mal „Teilchen” nachgewiesen, die aus der Materie ausgetreten waren, und die als deren Bestandteile interpretiert werden mußten.

Streuexperimente sind eine wichtige Methode der Kern- und Teilchenphysik, um sowohl Details der Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Teilchen zu untersuchen, als auch Aufschlüsse über die innere Struktur der Atomkerne und ihrer Bausteine zu erhalten. Ihre Diskussion wird daher im folgenden einen großen Raum einnehmen.

Im folgenden Kapitel werden wir uns mit der Frage beschäftigen, wie groß Atomkerne sind und welche Gestalt sie haben.

Streut man Elektronen elastisch an den leichtesten Kernen Wasserstoff und Deuterium, so kann man Informationen über die Kernbausteine Proton und Neutron gewinnen.

In Abschn. 5.5 haben wir gesehen, daß bei der Streuung von Elektronen an Atomkernen neben dem Maximum der elastischen Streuung weitere Maxima auftauchen, die von Anregungen des Kerns herrühren. Wenn man Elektronen nun an Nukleonen streut, beobachtet man ein ähnliches Verhalten.

Im vorhergehenden Kapitel haben wir die tiefinelastische Streuung als Werkzeug zur Untersuchung der Struktur und der Zusammensetzung der Nukleonen kennengelernt. Komplementäre Informationen über den Aufbau der Nukleonen und anderer stark wechselwirkender Objekte, den Hadronen, erhält man aus der Spektroskopie dieser Teilchen. Dabei ergeben sich auch Aussagen über die starke Wechselwirkung und ihre Feldquanten, die die innere Dynamik der Hadronen und die Kräfte zwischen ihnen beschreiben.

Bisher haben wir nur die leichten Quarks u und d sowie die aus ihnen zusammengesetzten Hadronen diskutiert. Den leichtesten Zugang zu den schwereren Quarks eröffnet die Teilchenproduktion in e⁺e^--Kollisionen. Freie Elektronen und Positronen lassen sich relativ leicht erzeugen und können dann in Ringbeschleunigern beschleunigt, gespeichert und zur Kollision gebracht werden. Bei der Kollision und Annihilation von Elektron und Positron können alle elektromagnetisch und schwach wechselwirkenden Teilchen erzeugt werden, sofern die Energie der Teilchenstrahlen hoch genug ist. In der elektromagnetischen Wechselwirkung annihilieren Elektron und Positron in ein virtuelles Photon, das sofort wieder in ein Paar geladener Elementarteilchen zerfällt. In der schwachen Wechselwirkung ist das Austauschteilchen das schwere Vektor-boson Z° (vgl. Diagramm). Das Symbol f steht für ein elementares Fermion (Quark oder Lepton) und f für sein Antiteilchen. Das ff-System muß die Quantenzahlen des Photons bzw. des Z° tragen.

Die Entdeckung der schwachen Wechselwirkung und die ersten Theorien hierzu basierten auf der Phänomenologie des β-Zerfalls. Gebundene Zustände, die sich aufgrund der schwachen Wechselwirkung bilden, sind nicht bekannt — im Gegensatz zur elektromagnetischen, starken und gravitativen Wechselwirkung. In diesem Sinne ist uns die schwache Wechselwirkung etwas fremd, da wir uns bei ihrer Beschreibung nicht an Erfahrungen aus z.B. der Atomphysik anlehnen können. Die schwache Wechselwirkung ist aber für den Zerfall von schweren Quarks und Leptonen verantwortlich.

Die Annahme, daß die schwache Wechselwirkung durch sehr schwere Austauschbosonen vermittelt wird, war schon vor deren Nachweis akzeptiert. Die durch die Struktur der Fermitheorie des β-Zerfalls implizierte punktförmige Wechselwirkung war Ausdruck dafür, daß die Austauschteilchen sehr schwer sein müssen. Eine quantitative Bestätigung wurde aber erst durch den experimentellen Nachweis der W- und Z-Bosonen [Ar83, Ba83a] und die Vermessung ihrer Eigenschaften möglich. Die Eigenschaften des Z°-Bosons führen zwangsläufig auch zu einer Vermischung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung. Die Theorie der elektroschwachen Vereinheitlichung von Glashow, Salam und Weinberg (Anfang der 70er Jahre) wurde dadurch bestätigt und ist heute die Grundlage des Standardmodells der Elementarteilchenphysik.

Im folgenden werden wir uns mit gebundenen hadronischen Systemen befassen. Am einfachsten lassen sich schwere Quark-Antiquark-Paare (cc und bb) beschreiben, die man als Quarkonia bezeichnet. Wegen ihrer großen Masse können sie näherungsweise nichtrelativistisch behandelt werden. Als Analogon und Vorbild aus der elektromagnetischen Wechselwirkung sollen uns dabei die gebundenen Systeme Wasserstoffatom und Positronium dienen.

Wir haben gesehen, daß sich Mesonen mit schweren Quarks (c und b) relativ einfach beschreiben lassen. Charmonium und Bottonium unterscheiden sich deutlich in ihrer Masse und bilden zwei streng voneinander getrennte Gruppen. Auch den D- und B-Mesonen lassen sich anhand von Flavour und Ladung eindeutig Quark-Antiquark-Kombinationen zuordnen.

Die bekanntesten Vertreter der Baryonen sind die Nukleonen: Proton und Neutron. Aus der tiefinelastischen Streuung haben wir gelernt, daß sie aus drei Valenzquarks sowie einem „See” aus Quark-Antiquark-Paaren und Gluonen bestehen. Bei den folgenden Betrachtungen zur Spektroskopie der Baryonen werden wir, wie wir es im Falle der Mesonen getan haben, mit dem Konzept der Konstituentenquarks arbeiten.

Der gewaltige Reichtum an komplexen Strukturen, die in der Natur auftreten (Moleküle, Kristalle, amorphe Körper), kann auf chemische Kräfte zurückgeführt werden. Demnach sind die kurzreichweitigen Kräfte, die zwischen elektrisch neutralen Atomen wirken, für Strukturen von größerer räumlicher Ausdehnung verantwortlich.

Kerne im Grundzustand oder in niedrig angeregten Zuständen sind Beispiele für ein entartetes Fermigas. Die Kerndichte wird durch die Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung, vor allem durch die starke Abstoßung bei kleinen Abständen und die geringe Anziehung bei größeren Abständen bestimmt. Wir haben in Abschn. 6.2 gesehen, daß die Nukleonen im Kern nicht lokalisiert sind sondern sich mit relativ großen Impulsen von 250 MeV/c bewegen. Diese große Beweglichkeit der Nukleonen im Kern ist die Folge der „schwachen” Bindung zwischen Nukleonen, wie wir sie für das Deuteron gezeigt haben. Der mittlere Abstand zwischen den Nukleonen ist wesentlich größer als der Radius des Hard Core des Nukleons.

Im zweiten Teil dieses Buches haben wir den Aufbau von Vielkörpersystemen aus Quarks beschrieben. Für die Bindung dieser Systeme ist die starke Wechselwirkung verantwortlich, im Unterschied zu den Atomen, Molekülen und Festkörpern, die durch die elektromagnetische Wechselwirkung zusammengehalten werden.