Physikalische Grundlagen der Hadronenphysik

Experimentelle Ziele

Experimente in der Hadronenphysik haben das präzise Vermessen der aus Quarks zusammengesetzten Systeme und hierauf basierend das Studium der beteiligten fundamentalen Teilchen und Kräfte zum Ziel.

Das Forschungsprogramm des PANDA-Experiments beinhaltet u.a. den Nachweis und die Vermessung von bisher nicht beobachteten, im Rahmen der Theorie der starken Wechselwirkung vorhergesagten exotischen Teilchen, z.B. Glueballs und Hybride. Über das Studium von verschiedenen zusammengesetzten Quarkssystemen (insbesondere Charmonium) und deren Produktions- und Zerfallsmechanismen soll weiterhin die schwache und die starke Wechselwirkung untersucht werden. Weitere Punkte beinhalten Untersuchungen zur inneren Struktur von Hadronen und die Eigenschaften von Hadronen in Materie.

Details zu diesen Schwerpunkten werden auf dieser Seite (Grundbegriffe) und der folgenden Seite (Forschungsprogramm) zusammengefasst.

 

Aufbau der Materie und Größenordnungen

Zwischen den größten Strukturen im Universum wie Galaxien (10²¹ m) bis hin zu den elementaren Teilchen (10^-18 m) liegen 40 Größenordnungen.

Die Kernbausteine (Nukleonen) eines Atoms, das Proton und das Neutron, sind nicht elementar, sondern setzen sich ihrerseits aus Quarks zusammen. Nach heutigem Kenntnisstand besitzen die Quarks selbst keine weitere Substruktur. Die negativ geladenen Bestandteile der Atomhülle, die Elektronen, gehören zur Gruppe der Leptonen, und sind ebenfalls elementare Teilchen.

 

Elementarteilchen

Es wird zwischen mehreren Gruppen von fundamentalen Teilchen unterschieden: Quarks, Leptonen und Eichbosonen. Von den beiden erstgenannten Gruppen existieren jeweils sechs verschiedene Teilchen, die sich u.a. in ihrer Masse und der elektrischen Ladung unterscheiden. Zu jedem Teilchen gibt es ein entsprechendes Antiteilchen mit entgegengesetzten Eigenschaften (z.B. eine umgekehrte elektrische Ladung), aber mit gleicher Masse. Aus Mitgliedern dieser Teilchengruppen setzt sich die bekannte stabile und instabile Materie zusammen. Die dritte Gruppe enthält Teilchen, die die fundamentalen Wechselwirkungen vermitteln.

Für die Masse wird hierbei die in der Hadronenphysik gebräuchliche Einheit Elektronenvolt (eV/c²) verwendet. Ein MeV/c²  = 1.000.000 eV/c² entspricht umgerechnet 1,8x10^-30 kg. Die Ladung ist als Vielfaches der Elementarladung e=1,6x10^-19 C angegeben. Im Falle der Neutrinos sind zur Zeit nur obere Grenzen für die Massenwerte bekannt.

 

Die vier Wechselwirkungen

Bei den fundamentalen Wechselwirkungen handelt es sich um die Gravitation sowie die elektromagnetische, die schwache und die starke Wechselwirkung. Die Übertragung erfolgt durch den Austausch von Mittlerteilchen, den sogenannten Eichbosonen, die an entsprechende Ladungen an den Elementarteilchen koppeln.

Die Gravitation, bekannt auch als Schwerkraft, dominiert in der alltäglichen Erfahrung aufgrund ihrer Nichtabschirmbarkeit und der unendlichen Reichweite, ist aber in der Teilchenphysik aufgrund der vergleichsweise sehr geringen Stärke nicht von Bedeutung. Es ist auch noch nicht gelungen, die Schwerkraft in einer vereinheitlichten Theorie zusammen mit den anderen Kräften zu beschreiben.

Die elektromagnetische Wechselwirkung vermittelt Kräfte zwischen elektrisch geladenen Teilchen. Das entsprechende Mittlerteilchen ist das Photon, das auch als Quant der elektromagnetischen Strahlung (z.B. Licht, Mikro- und Radiowellen, Röntgenstrahlung) bekannt ist. Diese Kraft ist für den Zusammenhalt von Molekülen und die Bindung der Elektronenhülle an den Atomkern verantwortlich.

 

Teilchenzerfälle, z.B. der radioaktive β-Zerfall eines Neutrons, finden unter dem Einfluss der schwachen Wechselwirkung statt. Mittlerteilchen sind die W- und Z-Bosonen.

Die starke Wechselwirkung wirkt zwischen Teilchen mit starker Ladung (der sogenannten Farbladung) und ist u.a. für den inneren und äußeren Zusammenhalt der Kernbausteine eines Atoms verantwortlich. Es handelt sich dabei um die stärkste der vier Kräfte - daher existieren z.B. stabile Atomkerne, obwohl diese mit den Protonen positiv geladene Nukleonen, die sich gegenseitig abstossen, enthalten. Da die Reichweite dieser Kraft nur einen Atomdurchmesser beträgt (10^-15 m = 1 Femtometer), wird sie in der Alltagswelt nicht direkt wahrgenommen. Die Wechselwirkung findet über den Austausch von Gluonen statt.

 

Hadronen

Aus Quarks zusammengesetzte Teilchen werden generell Hadronen genannt. Man unterscheidet zwischen Baryonen (bestehen aus 3 Quarks, z.B. die Nukleonen Proton und Neutron) und Mesonen (aufgebaut aus einem Quark-Antiquark-Paar, z.B. das aus der Höhenstrahlung bekannte Pion). Der Zusammenhalt der Bausteine erfolgt über die starke Wechselwirkung durch den Austausch von Gluonen, die an die Farbladung, die jedes Quark zusätzlich zur elektrischen Ladung trägt, koppeln. Die innere Struktur der Hadronen ist jedoch weit komplizierter als in dieser schematischen Darstellung mit den sogenannten Konstituentenquarks (vgl. die Abbildung des Nukleons weiter oben), da auch der Beitrag weiterer Gluonen zu berücksichtigen ist sowie kurzzeitig entstehende und sich wieder vernichtende zusätzliche Quark-Antiquark-Paare (Seequarks).

 

 

Exotische Materie

Theoretische Modelle sagen weiterhin die mögliche Existenz sogenannter exotischer Materie voraus, die eine andere Zusammensetzung als Baryonen oder Mesonen aufweisen.

Hierzu zählen z.B. Gluebälle: Da die Gluonen auch selbst Farbladungen tragen, ist im Gegensatz zu den neutralen Photonen zusätzlich eine Selbstwechselwirkung dieser Mittlerteilchen möglich. Dies ermöglicht Zustände, die keinen Quarkanteil besitzen, sondern rein aus Gluonen bestehen. Bei den Hybriden handelt es sich um Quark-Antiquark-Paare mit einer zusätzlichen gluonischen Anregung.  Tetra- und Pentaquarks setzen sich aus zwei Quark-Antiquark-Paaren bzw. vier Quarks und einem Antiquark zusammen. Molekülartige Zustände schließlich sind schwach gebundene Hadronenpaare.