Starke Wechselwirkung

In der Kernphysik und Teilchenphysik ist die starke Wechselwirkung , auch starke Kernkraft genannt , eine der vier bekannten fundamentalen Wechselwirkungen . Sie schließt Quarks in Protonen , Neutronen und andere Hadronen ein und bindet Neutronen und Protonen zu Atomkernen, wo sie als Kernkraft bezeichnet wird .

Der größte Teil der Masse eines Protons oder Neutrons resultiert aus der starken Wechselwirkungsenergie; die einzelnen Quarks tragen nur etwa 1 % zur Protonenmasse bei. Im Bereich von 10⁻¹⁵ ^m  (1 Femtometer , etwas mehr als der Radius eines Nukleons ) ist die starke Kraft etwa 100-mal so stark wie der Elektromagnetismus , 10⁶ ^- mal so stark wie die schwache Wechselwirkung und ^10³⁸ -mal so stark wie die Gravitation . ^{[ 1 ]}

Im Kontext von Atomkernen bindet die Kraft Protonen und Neutronen zu einem Atomkern und wird als Kernkraft (oder Reststarke Wechselwirkung ) bezeichnet. ^{[ 2 ]} Da die Kraft auf dieser Skala durch massereiche, kurzlebige Mesonen vermittelt wird , zeigt die Reststarke Wechselwirkung ein abstandsabhängiges Verhalten zwischen Nukleonen, das sich deutlich von dem Verhalten bei der Bindung von Quarks in Hadronen unterscheidet. Auch die Bindungsenergien der Kernkraft unterscheiden sich in Bezug auf Kernfusion und Kernspaltung . Die Kernfusion ist für den größten Teil der Energieproduktion in der Sonne und anderen Sternen verantwortlich . Die Kernspaltung ermöglicht den Zerfall radioaktiver Elemente und Isotope , wird dabei aber häufig durch die schwache Wechselwirkung vermittelt. Künstlich wird die mit der Kernkraft verbundene Energie teilweise in Kernkraftwerken und Kernwaffen freigesetzt , sowohl in uran- oder plutoniumbasierten Spaltwaffen als auch in Fusionswaffen wie der Wasserstoffbombe . ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Vor 1971 herrschte unter Physikern Unklarheit darüber, wie der Atomkern zusammengehalten wird. Man wusste, dass er aus Protonen und Neutronen besteht und dass Protonen positiv geladen , Neutronen hingegen elektrisch neutral sind. Nach den etablierten Prinzipien des Elektromagnetismus hätte man erwartet, dass sich positive Ladungen abstoßen und die positiv geladenen Protonen den Atomkern auseinandertreiben. Dieses Phänomen wurde jedoch nie beobachtet. Neue physikalische Entdeckungen waren nötig, um es zu erklären.

Um zu erklären, wie der Atomkern trotz der gegenseitigen elektromagnetischen Abstoßung der Protonen zusammengehalten wird, wurde eine stärkere Anziehungskraft postuliert . Diese angenommene Kraft wurde als starke Kernkraft bezeichnet und galt als fundamentale Kraft, die auf die Protonen und Neutronen des Atomkerns wirkt.

1964 schlugen Murray Gell-Mann und unabhängig davon George Zweig vor, dass Baryonen (zu denen Protonen und Neutronen gehören) und Mesonen aus Elementarteilchen bestehen. Zweig nannte diese Elementarteilchen „Aces“, Gell-Mann hingegen „Quarks“; die Theorie wurde als Quarkmodell bekannt . ^{[ 5 ]} Die starke Anziehung zwischen Nukleonen war eine Folge einer fundamentaleren Kraft, die die Quarks zu Protonen und Neutronen zusammenhält. Die Quantenchromodynamik erklärt , dass Quarks eine sogenannte Farbladung tragen , die jedoch keinen Bezug zur sichtbaren Farbe hat. ^{[ 6 ]} Quarks mit ungleicher Farbladung ziehen sich aufgrund der starken Wechselwirkung an, und das Teilchen, das diese Anziehung vermittelt, wurde Gluon genannt .

Die starke Wechselwirkung ist in zwei Größenordnungen beobachtbar und wird in jeder Größenordnung von unterschiedlichen Kraftträgern vermittelt. Auf einer Skala von weniger als etwa 0,8  fm (etwa dem Radius eines Nukleons) wird die Kraft von Gluonen getragen und hält Quarks zu Protonen, Neutronen und anderen Hadronen zusammen. Auf einer größeren Skala, bis zu etwa 3 fm, wird die Kraft von Mesonen getragen und bindet Nukleonen ( Protonen und Neutronen ) zum Atomkern . ^{[ 2 ]} Im ersteren Fall wird sie oft als Farbkraft bezeichnet und ist so stark , dass Hadronen beim Beschuss mit hochenergetischen Teilchen Jets massiver Teilchen erzeugen, anstatt ihre Bestandteile (Quarks und Gluonen) als frei bewegliche Teilchen zu emittieren. Diese Eigenschaft der starken Kraft wird als Farbeinschluss bezeichnet .

Der Begriff „stark“ wird verwendet, da die starke Wechselwirkung die „stärkste“ der vier fundamentalen Kräfte ist. In einer Entfernung von 10⁻¹⁵ ^m  ist ihre Stärke etwa 100-mal so groß wie die der elektromagnetischen Kraft , etwa 10⁶ ^-  mal so groß wie die der schwachen Wechselwirkung und etwa ^10³⁸  -mal so groß wie die der Gravitation .

Die starke Wechselwirkung wird durch die Quantenchromodynamik (QCD) beschrieben, einem Teil des Standardmodells der Teilchenphysik. Mathematisch gesehen ist die QCD eine nicht-abelsche Eichtheorie, die auf einer lokalen (Eich-) Symmetriegruppe namens SU(3) basiert .

Das Kraftteilchen der starken Wechselwirkung ist das Gluon, ein masseloses Eichboson . Gluonen wechselwirken mit Quarks und anderen Gluonen über eine sogenannte Farbladung . Diese Farbladung ist analog zur elektromagnetischen Ladung, tritt jedoch in drei Varianten (±rot, ±grün und ±blau) auf, was zu unterschiedlichen Verhaltensregeln führt. Diese Regeln werden in der Quantenchromodynamik (QCD), der Theorie der Quark-Gluon-Wechselwirkungen, beschrieben. Im Gegensatz zum Photon im Elektromagnetismus, das neutral ist, trägt das Gluon eine Farbladung. Quarks und Gluonen sind die einzigen fundamentalen Teilchen mit einer von null verschiedenen Farbladung und wechselwirken daher nur untereinander stark. Die starke Kraft ist Ausdruck der Wechselwirkung von Gluonen mit anderen Quarks und Gluonen.

In der QCD wechselwirken alle Quarks und Gluonen über die starke Wechselwirkung. Die Stärke dieser Wechselwirkung wird durch die starke Kopplungskonstante parametrisiert . Diese Stärke wird durch die Eichfarbladung des Teilchens, eine gruppentheoretische Eigenschaft, modifiziert.

Die starke Kraft wirkt zwischen Quarks. Anders als alle anderen Kräfte (elektromagnetische, schwache und Gravitationskraft) nimmt die starke Kraft mit zunehmendem Abstand zwischen Quarkpaaren nicht ab. Nach Erreichen eines Grenzabstands (etwa der Größe eines Hadrons ) bleibt ihre Stärke bei etwa 10⁻¹² M.10.000 N  , unabhängig davon, wie viel größer der Abstand zwischen den Quarks ist. [ ^{7 ] : 164} Mit zunehmendem Abstand zwischen den Quarks erzeugt die dem Paar zugeführte Energie neue Paare von passenden Quarks zwischen den ursprünglichen zwei; daher ist es unmöglich, Quarks zu isolieren. Die Erklärung liegt darin, dass die gegen eine Kraft vonEine Energie von 10.000 N  genügt , um Teilchen-Antiteilchen-Paare auf engstem Raum zu erzeugen. Die Energie, die durch das Auseinanderziehen zweier Quarks zugeführt wird, erzeugt ein neues Quarkpaar, das sich mit den ursprünglichen Quarks verbindet. In der Quantenchromodynamik (QCD) wird dieses Phänomen als Farb-Confinement bezeichnet ; daher können nur Hadronen, nicht aber einzelne freie Quarks beobachtet werden. Das Scheitern aller Experimente, die nach freien Quarks gesucht haben , gilt als Beweis für dieses Phänomen.

Die an einer Hochenergiekollision beteiligten Elementarteilchen Quark und Gluon sind nicht direkt beobachtbar. Die Wechselwirkung erzeugt jedoch Jets neu entstandener Hadronen, die beobachtbar sind. Diese Hadronen entstehen als Folge der Masse-Energie-Äquivalenz, wenn genügend Energie in eine Quark-Quark-Bindung eingebracht wird, beispielsweise wenn in einem Teilchenbeschleunigerexperiment ein Quark eines Protons von einem sehr schnellen Quark eines anderen, ebenfalls auftreffenden Protons getroffen wird . Quark-Gluon-Plasmen wurden jedoch bereits beobachtet. ^{[ 8 ]}

Während die Farbbegrenzung impliziert, dass die starke Kraft in kompakten Ansammlungen gebundener Quarks (Hadronen) ohne Distanzverringerung zwischen Quarkpaaren wirkt, bleibt bei Abständen, die sich dem Radius eines Protons annähern oder diesen überschreiten, eine Restkraft (siehe unten) bestehen. Diese manifestiert sich als Kraft zwischen den „farblosen“ Hadronen und ist als Kernkraft oder Restkraft (historisch auch als starke Kernkraft ) bekannt.

Die Kernkraft wirkt zwischen Hadronen, den sogenannten Mesonen und Baryonen . Diese „Restkraft“ wirkt indirekt und überträgt Gluonen, die Bestandteil der virtuellen π- und ρ-Mesonen sind . Diese übertragen wiederum die Kraft zwischen den Nukleonen, die den Atomkern (jenseits des Wasserstoff-1- Kerns) zusammenhält. ^{[ 9 ]}

Die Restkraft der starken Wechselwirkung ist somit ein geringfügiger Überrest der starken Wechselwirkung, die Quarks zu Protonen und Neutronen zusammenhält. Dieselbe Kraft ist zwischen Neutronen und Protonen viel schwächer, da sie in ihnen größtenteils neutralisiert wird, ähnlich wie die elektromagnetischen Kräfte zwischen neutralen Atomen ( Van-der-Waals-Kräfte ) viel schwächer sind als die elektromagnetischen Kräfte, die Elektronen an den Atomkern binden und so die Atome bilden. ^{[ 7 ]}

Im Gegensatz zur starken Wechselwirkung nimmt die Restkraft mit zunehmender Entfernung rasch ab. Die Abnahme ist annähernd proportional zur negativen Exponentialfunktion der Entfernung, obwohl hierfür kein einfacher Ausdruck bekannt ist (siehe Yukawa-Potential) . Die rasche Abnahme der anziehenden Restkraft und die langsamere Abnahme der abstoßenden elektromagnetischen Kraft zwischen den Protonen im Atomkern führen zur Instabilität größerer Atomkerne, wie beispielsweise aller Atomkerne mit Ordnungszahlen größer als 82 (das Element Blei).

Obwohl die Kernkraft schwächer ist als die starke Wechselwirkung, ist sie dennoch hochenergetisch: Übergänge erzeugen Gammastrahlen . Die Masse eines Atomkerns unterscheidet sich deutlich von der Summe der Massen seiner einzelnen Nukleonen. Dieser Massendefekt ist auf die mit der Kernkraft verbundene potenzielle Energie zurückzuführen. Unterschiede in den Massendefekten treiben Kernfusion und Kernspaltung an .

Die sogenannten Großen Vereinheitlichten Theorien (GUT) zielen darauf ab, die starke und die elektroschwache Wechselwirkung als Aspekte einer einzigen Kraft zu beschreiben, ähnlich wie die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung im Glashow-Weinberg-Salam-Modell zur elektroschwachen Wechselwirkung vereinigt wurden . Die starke Wechselwirkung besitzt die Eigenschaft der asymptotischen Freiheit , wonach ihre Stärke bei höheren Energien (oder Temperaturen) abnimmt. ^{[ 10 ] : 98} Die theoretisch berechnete Energie, bei der ihre Stärke der der elektroschwachen Wechselwirkung entspricht, ist die Energie der Großen Vereinheitlichung . Bislang konnte jedoch noch keine Große Vereinheitlichte Theorie erfolgreich formuliert werden, um diesen Prozess zu beschreiben, und die Große Vereinheitlichung bleibt ein ungelöstes Problem der Physik .

• Mathematische Formulierung der Quantenmechanik
• Mathematische Formulierung des Standardmodells
• Kernbindungsenergie
• QCD-Angelegenheit
• Quantenfeldtheorie
• Yukawa-Interaktion

• Christman, JR (2001). "MISN-0-280: Die starke Wechselwirkung " (PDF) .
• Ding, Minghui; Roberts, Craig; Schmidt, Sebastian (Hrsg.). (2024). Starke Wechselwirkungen im Standardmodell: Masselose Bosonen bis kompakte Sterne . MDPI . ISBN 978-3-7258-1502-9Die{{cite book}}: |journal=ignoriert ( Hilfe )
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• Kane, GL (1987). Moderne Elementarteilchenphysik . Perseus Books. ISBN 978-0-201-11749-3Die
• Morris, R. (2003). Die letzten Zauberer: Der Weg von der Alchemie zum Periodensystem . Joseph Henry Press. ISBN 978-0-309-50593-2Die