Hadron

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Hadronen sind Teilchen die der starken Wechselwirkung unterworfen sind. Da man sie sich heute als aus Quarks aufgebaut denkt, sind sie im eigentlichen Sinn keine Elementarteilchen. Die bekanntesten Hadronen sind die Nukleonen (Neutronen und Protonen), aus denen die Atomkerne aufgebaut sind.

Je nach ihrer Quark -Zusammensetzung werden Hadronen in Mesonen (ein Quark und ein Antiquark (das Antiteilchen eines Quarks)) und Baryonen (jeweils drei Quarks bzw. drei Antiquarks bei Antibaryonen) unterteilt. Beispiele für die Baryonen sind Neutron und Proton, für die Mesonen das Pi-Meson.

Da die Quarks den Spin 1/2 haben, sind Baryonen ebenfalls Fermionen (mit halbzahligem Spin), Mesonen dagegen Bosonen (ganzzahliger Spin).

Hadronen sind meist sphärisch und haben einen Radius von ca. $10 - 13$ cm, Quarks und Gluonen sind etwa tausendmal kleiner.

Alle Hadronen außer dem Proton sind instabil (beim Proton wurden noch keine Zerfälle gefunden). Die Zerfälle können über die starke, die schwache oder die elektromagnetische Wechselwirkung stattfinden. Beispielsweise zerfällt das neutrale Pion über die elektromagnetische Wechselwirkung in zwei Photonen.

Die Übergänge zwischen Quarks verschiedener Flavour-Quantenzahl (up, down, strange, sowie die sehr viel schwereren charm, bottom, top) werden durch die schwache Wechselwirkung bewirkt, die somit auch Übergänge zwischen verschiedenen Hadronen erzeugt. Da sie durch den Austausch schwerer W-Bosonen erzeugt wird, sind diese Zerfälle relativ langsam. Neutronen zerfallen z.B. in Protonen unter Abgabe eines Elektrons und Neutrinos (Betazerfall), und ihre Gesamtzahl ist in Kernen nur stabil, da dort mit einem Zerfall gleich meist auch der umgekehrte Prozess eintritt, also ein Neutron aus einem Proton aufgebaut wird. Es gibt natürlich auch "instabile" Kerne, wobei das Wort "instabil" relativ ist, da deren Lebensdauer entscheidend von der Art des Zerfalls (Betazerfall über schwache Wechselwirkung, alpha Zerfall über den Tunneleffekt usw.) abhängt.

Die starke Wechselwirkung selbst wird auf "fundamentaler Ebene" durch die Quantenchromodynamik als Austausch von Gluonen beschrieben, oder, wie heute noch in der Kernphysik überwiegend üblich, auf einer phänomenologischeren 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 sieht 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 definieren, noch Gluonen und eine Wolke virtueller Quark-Antiquark-Paare vorhanden sind. "Virtuell" heisst, dass nach der Quantenfeldtheorie ständig aus dem Vakuum solche Teilchen/Anti-Teilchen Paare erzeugt und gleich wieder vernichtet werden. Diese sogenannten See-Quarks (sea quarks) tragen z. B. beim Pion den größten Teil zur Gesamtmasse des Hadrons bei. Allgemein rührt bei Hadronen aus leichten Quarks (up, down) die Masse zum größten Teil nicht von den Valenzquarks.

Einen Teil des umfangreichen Hadronenzoos nehmen extrem kurzlebige Anregungszustände, die "Resonanzen", ein, die bei inelastischen Streuexperimenten beobachtet werden. Hadronen können theoretisch beliebig schwer werden (wenn man den Massebereich, in dem die Gravitation wichtig wird, einmal beiseite lässt); je schwerer sie werden, desto kurzlebiger sind sie im Allgemeinen aber.

Diskutiert werden auch die Existenz exotischerer Hadronen wie den bisher rein hypothetischen Pentaquarks, welche aus vier Quarks und einem Antiquark bestünden und dementsprechend Baryonen wären, und ganz neuen Materiezuständen wie dem Quark-Gluon-Plasma, für das es erste Hinweise in Kollisionsexperimenten mit schweren Ionen gibt.

[Bearbeiten] Weiterführende Literatur

Harald Fritzsch: Elementarteilchen. Bausteine der Materie, C.H.Beck Verlag, München, 2004
Kenneth S. Krane Introductory Nuclear Physics, Wiley & Sons Inc., 1998
Frauenfelder, Henley: Teilchen und Kerne, Oldenbourg, 4.Aufl.1999, ISBN: 3-486-24417-5
Povh, Rith, Scholz, Zetsche: Teilchen und Kerne, Springer, 6.Auflage 2004
Theo Mayer-Kuckuck: Kernphysik, Teubner Verlag, 7.Auflage 2002
Lohrmann: Hochenergiephysik, Teubner Verlag