Hadron
Als Hadronen (von altgriechisch ἁδρός hadrós ‚dick‘, ‚stark‘) bezeichnet man subatomare Teilchen, die von der starken Wechselwirkung zusammengehalten werden. Die bekanntesten Hadronen sind die Nukleonen (Neutronen und Protonen), die Bestandteil der Atomkerne sind. ⓘ
| Hadronen ⓘ | ||
|---|---|---|
| Mesonen | Hadronen mit ganzzahligem Spin (Bosonen) | |
| Quarkonia | J/ψ, Υ … | schweres Quark und sein Antiquark |
| andere qq | π, K, η, ρ, D … | allgemein Quark und Antiquark |
| exotisch | Tetraquarks, Glueballs … | zum Teil hypothetisch |
| Baryonen | Hadronen mit halbzahligem Spin (Fermionen) | |
| Nukleonen | p, n, N-Resonanzen | Baryonen aus u- und d-Quarks mit Isospin 1⁄2 |
| Δ-Baryonen | Δ++ (1232) … | Baryonen aus u- und d-Quarks mit Isospin 3⁄2 |
| Hyperonen | Λ, Σ, Ξ, Ω | Baryonen mit mindestens einem s-Quark |
| andere | Λc, Σc, Ξb … | Baryonen mit schwereren Quarks |
| exotisch | Pentaquarks … | aus mehr als drei Quarks bestehend |
Die Bezeichnung Hadronen wurde 1962 von Lew Okun als Reaktion auf die Entdeckung immer neuer Teilchen, die der starken Wechselwirkung unterlagen, eingeführt. Zwei Jahre später postulierte Murray Gell-Mann die Existenz von Quarks, aus denen die Hadronen aufgebaut sind. Dies führte dazu, dass die Hadronen nicht mehr als Elementarteilchen angesehen werden. ⓘ
Je nach Spin werden die Hadronen in zwei Typen eingeteilt:
- Mesonen, sie haben ganzzahligen Spin und sind damit Bosonen. Sie bestehen aus einem Quark und einem Antiquark, dem Antiteilchen eines Quarks. Beispiele für Mesonen sind Pi-Meson und K-Meson.
- Baryonen, sie haben halbzahligen Spin und sind damit Fermionen. Sie bestehen aus drei Quarks; Antibaryonen aus drei Antiquarks. Beispiele für Baryonen sind Proton und Neutron. ⓘ
Hadronen werden oft vereinfacht als sphärisch (kugelförmig) angenommen und haben einen Radius von ca. 10−15 m. ⓘ
Alle freien Hadronen sind instabil, außer dem Proton, bei dem noch keine Zerfälle nachgewiesen wurden. Die Zerfälle der Hadronen können über die starke, die schwache oder die elektromagnetische Wechselwirkung stattfinden. Beispielsweise zerfällt das neutrale Pi-Meson (Pion) durch die elektromagnetische Wechselwirkung, meist in zwei Photonen. ⓘ
Die Übergänge zwischen Quarks verschiedener Flavour-Quantenzahlen (up, down, strange, sowie die sehr viel schwereren charm, bottom, top) werden durch die schwache Wechselwirkung bewirkt, die somit auch Übergänge zwischen verschiedenen Hadronen ermöglicht. Da sie im Austausch schwerer W-Bosonen besteht, sind diese Zerfälle relativ langsam. Neutronen zerfallen z. B. unter Abgabe eines Elektrons und Antineutrinos in Protonen (Betazerfall). In einem Atomkern kann das Neutron allerdings stabil sein, weil die Umwandlung in ein Proton die Bindungsenergie wegen der Coulomb-Abstoßung verringern würde. ⓘ
Die starke Wechselwirkung wird auf „fundamentaler Ebene“ durch die Quantenchromodynamik als Austausch von Gluonen beschrieben, oder – wie in der Kernphysik überwiegend üblich – auf der „phänomenologischen Ebene“ durch den Austausch von Mesonen, vor allem den leichten Pionen. Quark-Flavours werden durch die starke Wechselwirkung nicht verändert, es können aber z. B. über Mesonen Quarks zwischen Baryonen ausgetauscht werden. ⓘ
In der Hochenergiephysik beobachtet man bei Streuexperimenten nicht nur Quarks, sondern auch Gluonen. Man stellt sich den Aufbau eines Hadrons deshalb so vor, dass außer den „Grundbausteinen“ eines Hadrons, den so genannten Valenzquarks, die seine Quantenzahlen festlegen, noch Gluonen und eine Wolke virtueller Quark-Antiquark-Paare vorhanden sind. Virtuell heißt, dass nach der Quantenfeldtheorie aus dem Vakuum ständig solche Paare von Teilchen und Antiteilchen erzeugt und gleich wieder vernichtet werden. Allgemein rührt bei Hadronen aus leichten Quarks (up, down) die Masse zum größten Teil nicht von den Massen der Valenzquarks her. Vielmehr wird diese Masse durch die starke Wechselwirkung dynamisch erzeugt. ⓘ
Viele Hadronen sind extrem kurzlebige Anregungszustände, die Resonanzen, die bei inelastischen Streuexperimenten beobachtet werden. Theoretisch kann es Hadronen beliebig hoher Masse geben (wenn man den Massebereich, in dem die Gravitation wichtig wird, einmal beiseitelässt). Je schwerer ein Hadron ist, desto kurzlebiger ist es im Allgemeinen. ⓘ
Diskutiert wird auch die Existenz exotischer Hadronen wie Tetraquarks, die aus zwei Quarks und zwei Antiquarks bestehen, und Pentaquarks, die aus vier Quarks und einem Antiquark bestehen. Weitere exotische Hadronen wären sogenannte Hybride (Zustände, die neben Quarks auch gluonische Anregungen enthalten) oder rein aus Gluonen bestehende Glueballs. ⓘ
Neben den Hadronen gibt es eventuell neue Materiezustände wie das Quark-Gluon-Plasma. Dafür sprechen Hinweise aus Kollisionsexperimenten mit schweren Ionen. ⓘ
Terminologie und Etymologie
Der Begriff "Hadron" ist ein neues griechisches Wort, das von L.B. Okun in einem Plenarvortrag auf der Internationalen Konferenz für Hochenergiephysik 1962 am CERN eingeführt wurde. Er eröffnete seinen Vortrag mit der Definition eines neuen Kategoriebegriffs:
Ungeachtet der Tatsache, dass sich dieser Bericht mit schwachen Wechselwirkungen befasst, werden wir häufig von stark wechselwirkenden Teilchen sprechen müssen. Diese Teilchen werfen nicht nur zahlreiche wissenschaftliche Probleme auf, sondern auch ein terminologisches Problem. Der Punkt ist, dass "stark wechselwirkende Teilchen" ein sehr ungeschickter Begriff ist, der sich nicht zur Bildung eines Adjektivs eignet. Aus diesem Grund werden, um nur ein Beispiel zu nennen, Zerfälle in stark wechselwirkende Teilchen als "nicht-leptonisch" bezeichnet. Diese Definition ist nicht exakt, denn "nicht-leptonisch" kann auch photonisch bedeuten. In diesem Bericht werde ich stark wechselwirkende Teilchen "Hadronen" nennen und die entsprechenden Zerfälle "hadronisch" (das griechische ἁδρός bedeutet "groß", "massiv", im Gegensatz zu λεπτός, das "klein", "leicht" bedeutet). Ich hoffe, dass sich diese Terminologie als nützlich erweisen wird. - L.B. Okun (1962) ⓘ
Eigenschaften
Nach dem Quarkmodell werden die Eigenschaften der Hadronen in erster Linie durch ihre sogenannten Valenzquarks bestimmt. Ein Proton zum Beispiel besteht aus zwei up-Quarks (jeweils mit der elektrischen Ladung ++2⁄3, zusammen also +4⁄3) und einem down-Quark (mit der elektrischen Ladung -+1⁄3). Die Addition dieser Ladungen ergibt die Protonenladung von +1. Obwohl Quarks auch Farbladungen tragen, müssen Hadronen aufgrund eines Phänomens, das als Farbeinschluss bezeichnet wird, insgesamt keine Farbladung haben. Das heißt, Hadronen müssen "farblos" oder "weiß" sein. Am einfachsten lässt sich dies mit einem Quark einer Farbe und einem Antiquark der entsprechenden Antifarbe oder mit drei Quarks verschiedener Farben erreichen. Hadronen mit der ersten Anordnung sind eine Art Meson, und solche mit der zweiten Anordnung sind eine Art Baryon. ⓘ
Massenlose virtuelle Gluonen bilden die überwältigende Mehrheit der Teilchen im Hadron und sind auch die Hauptbestandteile seiner Masse (mit Ausnahme der schweren Charm- und Bottom-Quarks; das Top-Quark verschwindet, bevor es Zeit hat, sich zu einem Hadron zu verbinden). Die Stärke der Gluonen der starken Kraft, die die Quarks zusammenbinden, hat genügend Energie (E), um Resonanzen aus massereichen (m) Quarks zu erzeugen (E ≥ mc2). Eine Folge davon ist, dass in einem Hadron ständig kurzlebige Paare von virtuellen Quarks und Antiquarks entstehen und wieder verschwinden. Da es sich bei den virtuellen Quarks nicht um stabile Wellenpakete (Quanten), sondern um ein unregelmäßiges und flüchtiges Phänomen handelt, ist die Frage, welches Quark real und welches virtuell ist, nicht sinnvoll; von außen ist nur der geringe Überschuss in Form eines Hadrons sichtbar. Wenn also gesagt wird, dass ein Hadron oder Anti-Hadron aus (typischerweise) 2 oder 3 Quarks besteht, bezieht sich dies technisch gesehen auf den konstanten Überschuss an Quarks gegenüber Antiquarks. ⓘ
Wie allen subatomaren Teilchen werden Hadronen Quantenzahlen zugewiesen, die den Darstellungen der Poincaré-Gruppe entsprechen: JPC (m), wobei J die Spinquantenzahl, P die intrinsische Parität (oder P-Parität), C die konjugierte Ladung (oder C-Parität) und m die Masse des Teilchens ist. Beachten Sie, dass die Masse eines Hadrons nur sehr wenig mit der Masse seiner Valenzquarks zu tun hat; aufgrund der Masse-Energie-Äquivalenz stammt der größte Teil der Masse aus der großen Menge an Energie, die mit der starken Wechselwirkung verbunden ist. Hadronen können auch Flavor-Quantenzahlen wie Isospin (G-Parität) und Strangeness tragen. Alle Quarks tragen eine additive, konservierte Quantenzahl, die Baryonenzahl (B), die ++1⁄3 für Quarks und -+1⁄3 für Antiquarks beträgt. Das bedeutet, dass Baryonen (zusammengesetzte Teilchen, die aus drei, fünf oder einer größeren ungeraden Anzahl von Quarks bestehen) B = 1 haben, während Mesonen B = 0 haben. ⓘ
Hadronen haben angeregte Zustände, die als Resonanzen bezeichnet werden. Jedes Hadron im Grundzustand kann mehrere angeregte Zustände haben; in Experimenten wurden mehrere hundert Resonanzen beobachtet. Resonanzen zerfallen extrem schnell (innerhalb von etwa 10-24 Sekunden) durch die starke Kernkraft. ⓘ
In anderen Phasen der Materie können die Hadronen verschwinden. So sagt die Theorie der Quantenchromodynamik (QCD) bei sehr hohen Temperaturen und hohem Druck voraus, dass Quarks und Gluonen nicht mehr in den Hadronen eingeschlossen sind, "weil die Stärke der starken Wechselwirkung mit der Energie abnimmt", es sei denn, es gibt ausreichend viele Quark-Flavors. Diese Eigenschaft, die als asymptotische Freiheit bezeichnet wird, wurde experimentell im Energiebereich zwischen 1 GeV (Gigaelektronenvolt) und 1 TeV (Teraelektronenvolt) bestätigt. Alle freien Hadronen außer (möglicherweise) dem Proton und dem Antiproton sind instabil. ⓘ
Baryonen
Baryonen sind Hadronen, die eine ungerade Anzahl von Valenzquarks (mindestens 3) enthalten. Die meisten bekannten Baryonen wie das Proton und das Neutron haben drei Valenzquarks, aber auch Pentaquarks mit fünf Quarks - drei Quarks unterschiedlicher Farbe und ein zusätzliches Quark-Antiquark-Paar - sind nachgewiesen worden. Da Baryonen eine ungerade Anzahl von Quarks haben, sind sie auch alle Fermionen, d. h. sie haben einen halbzahligen Spin. Da Quarks die Baryonenzahl B = 1⁄3 besitzen, haben Baryonen die Baryonenzahl B = 1. Pentaquarks haben ebenfalls B = 1, da sich die Baryonenzahlen der zusätzlichen Quarks und Antiquarks aufheben. ⓘ
Jede Art von Baryon hat ein entsprechendes Antiteilchen (Antibaryon), in dem die Quarks durch ihre entsprechenden Antiquarks ersetzt werden. So besteht beispielsweise ein Proton aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark, sein entsprechendes Antiteilchen, das Antiproton, aus zwei Up-Antiquarks und einem Down-Antiquark. ⓘ
Seit August 2015 gibt es zwei bekannte Pentaquarks, P+
c(4380) und P+
c(4450), die beide im Jahr 2015 von der LHCb-Kollaboration entdeckt wurden. ⓘ
Mesonen
Mesonen sind Hadronen, die eine gerade Anzahl von Valenzquarks (mindestens 2) enthalten. Die meisten bekannten Mesonen bestehen aus einem Quark-Antiquark-Paar, aber mögliche Tetraquarks (4 Quarks) und Hexaquarks (6 Quarks, die entweder ein Dibaryon oder drei Quark-Antiquark-Paare umfassen) wurden entdeckt und werden derzeit untersucht, um ihre Natur zu bestätigen. Möglicherweise gibt es noch mehrere andere hypothetische Arten von exotischen Mesonen, die nicht in das Quarkmodell passen. Dazu gehören Glueballs und Hybrid-Mesonen (Mesonen, die durch angeregte Gluonen gebunden sind). ⓘ
Da Mesonen eine gerade Anzahl von Quarks haben, sind sie auch alle Bosonen mit ganzzahligem Spin, d. h. 0, +1 oder -1. Sie haben die Baryonenzahl B = 1/3 - 1/3 = 0 . Beispiele für Mesonen, die häufig in Experimenten der Teilchenphysik erzeugt werden, sind Pionen und Kaonen. Pionen spielen auch eine Rolle beim Zusammenhalten von Atomkernen durch die restliche starke Kraft. ⓘ