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Das seltsame Innenleben des Protons

Der Einfluss des Strange-Quarks auf die magnetischen Eigenschaften des Protons ist zehnmal größer als es theoretisch berechnet wurde. Das hat ein so genanntes G0-Experiment am Jefferson-Laboratorium in Newport News, Virginia, gezeigt. Protonen bilden zusammen mit den Neutronen die Grundbausteine der Atomkerne. Beide sind wiederum aus drei kleineren Teilchen zusammengesetzt, den Quarks. Das Proton besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark ? eigentlich. Denn es stecken zusätzlich noch Anteile des Strange-Quarks im Proton, wie die Forscher nun gezeigt haben.

Das Bild der drei Quarks im Proton ist stark vereinfacht. Da die Quantentheorie die Erzeugung und anschließende Wiedervernichtung von Teilchen-Antiteilchen-Paaren mit „geborgter“ Energie erlaubt, ist das Proton mit einem „See“ aus Quark-Antiquark-Paaren gefüllt. Hinzu kommen noch die Gluonen ? der Leim, der die starke Kernkraft übermittelt und damit die Protonen und den ganzen Atomkern zusammenhält.

Es gibt insgesamt sechs Sorten von Quarks. Die gewöhnliche Materie besteht hauptsächlich aus Up- und Down-Quarks mit Beimischungen der anderen Quarksorten aus dem Quarksee. Den größten Beitrag zu diesen Beimischungen liefert jedoch das Strange-Quark.

Da das Strange-Quark wie alle Quarks eine elektrische Ladung trägt und einen Spin besitzt, erzeugt es wie alle bewegten Ladungen ein Magnetfeld. Der Spin ist das quantenmechanische Gegenstück zum Drehimpuls. Die für Elementarteilchen relevante Eigenschaft des Magnetfeldes ist das magnetische Moment.

Die etwa 100 Physiker der G0-Kollaboration interessierten sich nun dafür, wie groß der Anteil des Strange-Quarks am gesamten magnetischen Moment des Protons ist. Ihr Ergebnis ist eine Überraschung: Statt der theoretisch berechneten 0,5 Prozent beziffert ihr Experiment diesen Anteil auf 5 Prozent.

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„Die G0-Ergebnisse liefern uns zum ersten Mal eine gute Vorstellung davon, was Strange-Quarks im Innern des Protons anstellen“, sagt John Negele vom MIT. „Und sie sind eine gepfefferte Herausforderung für uns Theoretiker. Aber mit einer neuen Computergeneration, die speziell für die Berechnung von Quark-Wechselwirkungen konstruiert wurde, werden wir dazu in der Lage sein, Probleme zu lösen, von denen wir bisher nur träumen konnten.“

D.S. Armstrong et. al.: Physical Review Letters 95, 092001

Axel Tillemans
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