Nobelpreis für Physik 2004: Was die Quarks zusammenhält - wissenschaft.de
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Nobelpreis für Physik 2004: Was die Quarks zusammenhält

Den Nobelpreis für Physik teilen sich in diesem Jahr die amerikanischen Physiker David Gross von der University of California in Santa Barbara, David Politzer vom Caltech und Frank Wilczek vom MIT. Dank ihrer Arbeit konnte das Standardmodell der Teilchenphysik vervollständigt werden, schreibt die schwedische Akademie der Wissenschaften zur Begründung der Wahl der Preisträger. Dem Forschertrio gelang es, eine Schlüsseleigenschaft der so genannten Starken Wechselwirkung zu beschreiben. Diese Wechselwirkung ist neben der Gravitation, der elektromagnetischen Wechselwirkung und der Schwachen Wechselwirkung eine der vier Grundkräfte der Natur und wirkt zwischen den Quarks, den Bausteinen der Kernteilchen in den Atomkernen. Die Arbeit von Gross, Politzer und Wilchzek war die Grundlage der so genannten Quantenchromodynamik, einem theoretischen Modell, dass Wechselwirkungen bei hohen Energien beschreibt.

Bereits 1960 war entdeckt worden, dass die Protonen und Neutronen in einem Atomkern aus jeweils drei noch kleineren Teilchen, den so genannten Quarks, zusammengesetzt sind. Diese Bausteine haben eine elektrische Ladung, die entweder einen Wert von ?1/3 oder +2/3 der Ladung eines Protons beträgt. Zusätzlich besitzen die Quarks jedoch noch eine besondere Eigenschaft, die so genannte Farbladung. Sie ist ebenfalls gequantelt und kann die Werte rot, grün oder blau annehmen.

Quarks kommen frei nie einzeln, sondern nur in einem Verband von zwei oder drei vor. Solche freien Quarkverbände sind immer so zusammengesetzt, dass sich ihre Farbladungen gegenseitig aufheben. So haben beispielsweise die drei Quarks eines Protons unterschiedliche Farbladungen, die zusammen die Gesamtfarbladung „weiß“ oder „neutral“ ergeben. Genauso wie elektrisch geladenen Teilchen sich gegenseitig anziehen oder abstoßen, gibt es auch zwischen farblich geladenen Teilchen Wechselwirkungen. Diese Kräfte werden durch die so genannten Gluonen vermittelt, massenlosen Teilchen, die ebenfalls eine Farbladung tragen.

Lange Zeit galt die Annahme, es sei nicht möglich, eine mathematische Theorie zu formulieren, die diese extrem komplexen Wechselwirkungen beschreiben kann. Doch dann entdeckten Gross, Wilczek und Politzer 1972 eine unerwartete Eigenschaft der Gluonen: Diese Teilchen interagieren nicht nur mit den Quarks, sondern auch miteinander. Aufgrund dieser Eigenschaft nimmt die Größe der Farbladung und damit die Stärke der Farbwechselwirkung ab, je näher sich die Quarks einander annähern. Gleichzeitig steigt die Energie während einer solchen Annäherung. Die Konsequenz: Die Stärke der Farbwechselwirkung nimmt mit steigender Energie ab, eine Eigenschaft, die Asymptotische Freiheit genannt wird. Auf der anderen Seite steigt die Wechselwirkung mit zunehmendem Abstand wieder an ? der Grund dafür, dass ein einzelnes Quark nicht aus einem Atomkern entfernt werden kann.

Erst mit der Entdeckung der Asymptotischen Freiheit gelang es, die Wechselwirkungen zwischen Quarks und Gluonen bei geringem Abstand zu berechnen. Die Formulierung der darauf basierenden Quantenchromodynamik ermöglichte schließlich erstmalig, Berechnungen anzustellen, die eine hohe Übereinstimmung mit den experimentell gefundenen Ergebnissen zeigten.

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Ilka Lehnen-Beyel
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