• Was ist ein freies Teilchen?
  • Warum kann man freie Elektronen beobachten, aber keine freien Quarks oder Gluonen?
  • Woher wissen wir, dass Quarks nicht frei auftreten?

Im Artikel zur Quantenchromodynamik haben wir gesehen, dass Protonen und Neutronen keine Elementarteilchen sind, sondern aus Quarks bestehen, die von Gluonen zusammengehalten werden. Quarks und Gluonen unterscheiden sich aber von anderen Elementarteilchen dadurch, dass sie noch nie einzeln beobachtet worden sind. Bei anderen Teilchen wie den Elektronen oder den Neutrinos ist dies aber möglich. Zwar sind in der herkömmlichen Materie Elektronen an Atomkerne gebunden, wenn man aber einem Atom genügend Energie (zum Beispiel in der Form von Licht) zuführt, können sich Elektronen komplett von den Atomkernen lösen. Das ist bei Quarks und Gluonen nicht möglich - sie kommen immer nur in Bindungszuständen aus mehreren Quarks und Gluonen vor und wurden noch nie einzeln beobachtet.

Was passiert aber nun, wenn wir zum Beispiel einem Quark-Antiquark-Paar immer mehr Energie zuführen? Bei Atomen führt dies dazu, dass wir Elektronen vom Atomkern lösen. Im Fall eines Quark-Antiquark-Paars wird das nicht passieren. Je mehr Energie dem Paar zugeführt wird, umso weiter werden Quark und Antiquark auseinander gezogen. Die Energie wird in von den Gluonen aufgenommen, die das Paar zusammenhalten.

Bei einem Elektron-Atomkern-System wird die Kraft zwischen den Teilchen umso kleiner, je weiter sie voneinander entfernt sind. Wird genügend Energie zugeführt, so ist irgendwann die Kraft sehr klein und die Teilchen können voneinander isoliert betrachtet werden. Bei einem Quark-Antiquark-System (oder jedem anderen Quark-Bindungszustand) ist dies nicht der Fall.

Egal wie weit die (Anti-)Quarks voneinander entfernt sind, die Kraft bleibt gleich. Irgendwann ist in den Gluonen so viel Energie gespeichert, dass sich daraus ein neues Quark-Antiquark-Paar bilden kann. In unserem System sind jetzt also 2 Quarks und 2 Antiquarks. Davon bilden das alte Quark mit dem neuen Antiquark ein neues Paar und die beiden anderen Teilchen ebenso. Wir konnten also die beiden ursprünglichen Teilchen voneinander trennen, allerdings bekommen diese neue Partner und treten auch nach der Trennung nicht frei auf.

Quarks und Gluonen treten also nicht frei auf, andere Teilchen aber schon. Woran liegt das nun? Eine mathematische Erklärung gibt es für dieses Phänomen noch nicht. Wir kennen also noch nicht den fundamentalen Grund, warum Quarks und Gluonen nicht frei auftreten. Es gibt aber viele Ansätze, die eine Erklärung bieten. Dabei schließen sich diese nicht unbedingt gegenseitig aus, sondern bieten nur unterschiedliche Blickwinkel auf dasselbe Problem. Wir machen aber folgende Beobachtung: Alle Bindungszustände von Quarks haben keine Farbladung (das heißt sie sind "farbneutral" geladen bzw. "weiß"). Und da alle Elemtarteilchen, die frei vorkommen können, nicht stark wechselwirken, haben auch diese keine Farbladung. Wir stellen also allgemein fest, dass in der Natur keine freien Farbladungen vorkommen können. Dieses Phänomen nennen wir Confinement.

ConfinementBeim Auseinanderziehen von Quarks bildet sich ein neues Quark-Antiquark-Paar. Die Quarks werden getrennt, werden aber nicht frei, sondern sind wieder in einem Bindungszustand.
Bild: Alexander Gorfer (quant.uni-graz.at), (CC-BY-SA 4.0)

Woher wissen wir das?

Woher wissen wir aber, dass die Kraft konstant bleibt, wenn sich beim Versuch, Quarks auseinander zu bewegen Quark-Antiquark-Paare bilden? Aus mathematischen Überlegungen ist bekannt, dass die Kraft zwischen den Quarks stets anziehend ist, aber mit dem Abstand nicht zunehmen kann. Zusätzlich sind Computersimulationen sehr hilfreich: In der Wirklichkeit ist relativ schnell genug Energie im System, um Quark-Antiquark-Paare zu erzeugen. Das hat damit zu tun, dass das up- und down-Quarks relativ leicht sind.

Damit sich Quark-Antiquark-Paare bilden können, muss genug Energie vorhanden sein. Wenn man nun vereinfachend annimmt, dass die entstanden Quarks ruhen, ist die Energie durch die berühmte Beziehung \( E=mc^2 \) gegeben. Dabei ist \(m\) die Masse der involvierten Quarks. Die Masse der Quarks ist uns durch die Natur gegeben, in einem Experiment also fixiert. In einer Computersimulation ist die Masse der Quarks aber ein wählbarer Parameter - wir können ihn auf einen beliebigen Wert setzen. Um Vorhersagen über unsere Welt zu machen, benötigen wir die Masse der Quarks als experimentellen Input. Wenn die Masse der Quarks in der Simulation aber größer wählen als in der Realität, dann können wir mehr Energie in das System stecken, bevor es in der Simulation zur Paarerzeugung kommt. Über diesen Trick können wir in Erfahrung bringen, wie sich die Kraft zwischen den Quark verhalten würde, wenn wir die Quarks weiter und weiter trennten. Simulationen wie diese aber auch experimentelle Beobachtungen legen nahe, dass die Kraft konstant bleibt.

In der Theorie kann man die Quark-Masse auch auf null setzen. Die Masse eines Protons ist dann aber nicht null, sondern fast unverändert. Das liegt daran, wie die Starke Wechselwirkung Masse "erzeugt".

  • Teilchenphysik - Ladungen, Wechselwirkungen und Teilchen, Unterrichtsmaterialien ab Klasse 10
    Herausgeber: Joachim Herz Stiftung (komplette Unterlagen) (insbesondere Kapitel 2.2.4 und Aufgabe 13)
  • QCD and Confinement, online auf QuantumDiaries

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