- Kapitel 12 -
Kernkräfte und ihre Wirkung

Wir wissen nun, dass Teilchen, wie die Protonen und Neutronen aus noch kleineren Teilchen zusammengesetzt sind, den Quarks. Die großen Gruppen der Baryonen und Mesonen sind prinzipiell alle aus diesen Teilchen aufgebaut. Doch wie halten diese Teilchen zusammen? Warum fallen die Quarks nicht wieder auseinander? Diese Fragen möchte ich Ihnen hier beantworten. Weiterhin möchte ich versuchen ein bisschen Ordnung in das Chaos des Teilchenzoos und seiner Unterteilungen zu bringen.


Die Quantenelektrodynamik und die elektromagnetische Kraft

Ursache für den Zusammenhalt unserer Materie sind Kräfte, die zwischen den Teilchen wirken. Man kann alle bekannten Phänomene auf vier Urkräfte zurückführen: starke Kernkraft, schwache Kernkraft, Schwerkraft (Gravitation) und elektromagnetische Kraft. Letztere kennen Sie bereits. Sie ist z.B. für Abstoßungs- und Anziehungskräfte von Ladungsträgern verantwortlich. Die Gravitation ist uns allen aus dem Alltag bekannt: Ihre Aufgabe ist es, dass Masseteilchen eine gewisse Anziehungskraft aufeinander ausüben. Die starke Kernkraft sorgt dafür, dass die Materieteilchen des Atomkerns zusammenhalten, also auch die Quarks. Für den Zerfallsprozess des Kerns (z.B. bei radioaktiven Prozessen) ist die schwache Kernkraft verantwortlich.
Man stellt sich vor, dass die Kräfte durch kleine Teilchen, den schon bekannten Bosonen hervorgerufen werden. Auch hier gibt es wieder einen ganzen Zoo, wie Wissenschaftler herausgefunden haben. Jede Kraft hat ihre eigenen Bosonen. Indem zwischen den Teilchen diese Bosonen ausgetauscht werden, wird die Kraft übertragen. Satyendra Nath Bose (1894-1974) war  indischer Mathematiker und Physiker und neben Einstein Mitbegründer der Bose-Einstein-Statistik. Wie bereits erwähnt sind Bosonen, im Gegensatz zu Fermionen, Teilchen mit ganzzahligem Spin. Das Photon ist ein solches Boson und ist an sich Träger - und damit Ursache - einer ganz bestimmten Kraft – der elektromagnetischen Feldkraft. Wirken also zwischen zwei Teilchen elektromagnetische Kräfte, so werden zwischen ihnen Photonen ausgetauscht. Stoßen sich beispielsweise zwei Elektronen ab, so kann das wie folgt veranschaulicht werden:



Das rechte Bild zeigt ein sog. Feynman-Diagramm, benannt nach dem amerikanischen Physiker und Nobelpreisträger Richard Phillips Feynman (1918-1988). Es abstrahiert das Geschehen ist aber in diesem Fall noch relativ einfach nachzuvollziehen. Der Teilbereich der Physik, welcher sich mit der Wechselwirkung von Materie und Bosonen im elektromagnetischen Feld beschäftigt nennt man Quantenelektrodynamik. Sie gilt heute als sehr gut ausgearbeitet und wurde in Experimenten mit überwältigender Übereinstimmung nachgewiesen.  


Die Quantenchromodynamik und die starke Kernkraft

Jetzt möchte ich Ihnen die stärkste aller bekannten Kräfte vorstellen, auch wenn wir diese zunächst nicht direkt spüren. Viele glauben, die Gravitation sei die stärkste Kraft, weil wir diese direkt wahrnehmen. Aber dem ist nicht so, im Gegenteil, sie gehört sogar zu den schwächsten bekannten Kräften.
Sie haben bereits erfahren, dass die starke Kernkraft (auch starke Wechselwirkung genannt) für den Zusammenhalt der Quarks innerhalb der Protonen, Neutronen und allen anderen Baryonen bzw. Mesonen verantwortlich ist. Die Träger dieser Kraft, so die Vorstellung, sind die Gluonen. Auch sie sind masselose Teilchen, welche zwischen dem Quarks ausgetauscht werden, dies jedoch auf eine ganz besondere Weise. Insgesamt sind acht verschiedene Arten an Gluonen bekannt. Ihnen allen wird eine Eigenschaft zugeschrieben, eine bestimmte Farbe. Auch Quarks haben eine Farbe, daher nennt man die sich mit diesem Komplex befassende Theorie auch Quantenchromodynamik (chromos,  griechisch für Farbe). Dabei darf man sich die Quarks und Gluonen nicht wirklich wie bemalte Ostereier vorstellen, es ist wieder mal die Veranschaulichung einer Eigenschaft, die man den Teilchen zuschreibt.  Zur besseren Verständlichkeit der Theorie ist es jedoch sinnvoll einen Bezug zu unserer Alltagswelt herzustellen. Den bereits vorgestellten Quarksarten (Up, Down, Charm, Strange, Top, Botton) werden jeweils Farben zugewiesen und zwar Rot, Grün und Blau. Ihre Antiteilchen haben dementsprechend die Farben Antirot, Antigrün und Antiblau (fragen Sie mich bitte nicht, was man sich unter diesen Farben vorzustellen hat). Unter diesen Voraussetzungen gilt nun folgendes Gesetz: Entweder die Farben innerhalb eines neu gebildeten Teilchens (z.B. Proton, Neutron oder Pion) heben sich gegenseitig auf oder ergänzen sich gegenseitig zu Weiß. Aufheben heißt, dass eine Farbe plus eine Antifarbe keine Farbe ergibt. Alle Pionen und Kaonen (also die Mesonen) bestehen aus  einem Quarkund einem Antiquark. Wenn man ein rotes Quark innerhalb des Mesons vorliegen hat, so muss auch ein rotes Antiquark vorhanden sein. Ein Meson besteht nie aus mehr als zwei Teilchen, denn ein drittes Teilchen würde sofort wieder eine Farbe bzw. eine Antifarbe ins Spiel bringen. Die Teilchen, welche nur Quarks und keine Antiquarks enthalten sind die Baryonen (Neutron-, Proton-,Lambda-, Sigma- und Xi-Teilchen). Sie müssen drei Quarks in sich tragen und zwar von jeder Farbe eins, denn rote plus blaue plus gelbe Farbe ergibt Weiß. Daher sind nicht alle Quarks innerhalb der Teilchen beliebig kombinierbar, sondern nur bestimmte, welche die richtige Farbeigenschaft in sich tragen.
Da die Gluonen, welche die Kraft zwischen den Quarks hervorrufen, selber noch einmal acht Farben haben ist die Theorie sehr komplex. Wichtig ist jedoch zu wissen, dass die starke Kernkraft dafür sorgt, dass auf der einen Seite die Quarks innerhalb eines Baryons bzw. Mesons zusammen gehalten werden und auf der anderen Seite den gesamten Kern zusammenhält. Eigentlich müsste ein Kern sofort auseinander fallen, denn die Abstoßungseffekte zwischen den positiv geladenen Protonen müssten den Kern sprengen. Dies passiert jedoch nicht. Dies liegt auf der einen Seite an den Neutronen, die einen gewissen Abstand zwischen den Protonen schafft, auf der anderen Seite wirken die starken Kernkräfte der Protonen und Neutronen (Nukleonen) über sich selber hinaus und binden so die Quarks der unterschiedlichen Nukleonen aneinander. Die starke Wechselwirkung ist dabei um ein vielfaches stärker als die elektromagnetische Abstoßungskraft zwischen den Protonen.
Teilchen, welche dem Einfluss der starken Wechselwirkung unterliegen nennt man Hadronen. Die Hadronen sind alle Teilchen, welche die Baryonen und Mesonen umfassen. Die Leptonen gehören jedoch nicht dazu, also das Elektron, das Myon, das Tauon uns ihre Neutrinos. Sie zeigen keinerlei Wechselwirkung mit der starken Kernkraft, was auch logisch ist. Da sie keine Quarks enthalten, können die Gluonen mit diesen nicht wechselwirken.




Theory of Everything und Superstrings

Zwei weitere Kräfte verbleiben noch zu erklären: Für die schwache Kernkraft sind gleich drei Bosonen verantwortlich, man nennt sie W+, W- und Z0, oder zusammenfassend: Vektor-Bosonen. Es handelt sich dabei um sehr schwere Teilchen die nur über eine kurze Distanz wirken können. Sie sorgen für den Kernzerfall und sind die schwachen Gegenspieler der starken Kernkraft.
Das größte Problem bereitet jedoch die Gravitation. Bis jetzt ist es noch nicht gelungen eine Theorie zu entwickeln, die diese Kraft ähnlich beschreibt wie die Quantenelektrodynamik die elektromagnetische Kraft oder die Quantenchromodynamik die starke Kernkraft. Man vermutet, es könnte ein Teilchen geben, das Graviton, welches zwischen den Materieteilchen wechselwirkt, bewiesen ist dies jedoch noch nicht. Bis jetzt haben wir mehr oder weniger nur eine Theorie, welche die Gravitation richtig beschreibt und das ist Einsteins allgemeine Relativitätstheorie. Eine Quantentheorie der Gravitation steht noch aus, auch wenn es bereits erste Ansätze in diese Richtung gibt.
Der Traum der Wissenschaftler ist es, eine Theorie zu finden, welche alle vier fundamentalen Kräfte vereinigt. Auf diese Weise hofft man tiefe Einblicke in das Universum und seinen Aufbau zu erhalten. Sie kann sicherlich nicht alles Vorhersagen, sie wäre aber ein gutes wissenschaftlichen Fundament, auf dem sich neue Erkenntnisse schnell und sicher aufbauen ließen.
Es wird vermutet, dass alle Kräfte früher in einer vereint waren, der Urkraft. Diese existierte nur kurz nach dem Urknall. Danach spaltete diese sich in die vier uns bekannten Kräfte auf. Ziel ist es jetzt diese Urkraft, zumindest mathematisch, zu beschreiben. Ansätze hierfür gibt es bereits: Die Weinberg-Salem-Theorie besagt, dass die drei Vektor-Bosonen der schwachen Kernkraft bei hohen Energien (mehr als 100 Milliarden eV) dem Photon gleichen würden, welches ja Träger der elektromagnetischen Kraft ist. Im Kernforschungszentrum CERN bei Genf hat man entsprechende Experimente in einem sog. Teilchenbeschleuniger durchgeführt. Er besteht aus einem riesigen unterirdischen Ring in dessen Inneren bei hohen Geschwindigkeiten Teilchen aufeinander geschossen werden können. Es zeigte sich, dass die Vorhersagen mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen. Somit war die elektromagnetische und die schwache Kernkraft vereinheitlicht. Die starke Kernkraft kann man wahrscheinlich auf ähnliche Art und Weise mit den anderen beiden Kräften verbinden, jedoch fehlt hierfür der Beweis, denn es müssten Energien aufgebracht werden, die in unseren Teilchenbeschleunigern nicht zu erreichen sind. Man geht bei dieser Grand Unified Theory (GUT) davon aus, dass die starke Kernkraft über eine Eigenschaft verfügt, die man als asymptotische Freiheit bezeichnet: Um so höher die hinzugefügte Energie ist, um so schwächer wird die starke Wechselwirkung. Auf diese Weise könnte man die starke Kernkraft abschwächen, während man die elektromagnetische und schwache Kernkraft durch Hinzufügen von Energie stärkt. Das Ergebnis ist dann logisch: Beide Kräfte werden irgendwann gleich stark sein. Somit wären diese drei Kräfte nur noch „verschiedene Aspekte einer einzigen Kraft“, so Stephen Hawking in seinem Beststeller „Eine Kurze Geschichte der Zeit“. Bei dieser sog. Vereinheitlichungsenergie sollen auch alle Teilchen mit dem Spin ½ (also alle Fermionen) gleiche Erscheinungsform haben. Sie wären dann auch nur verschiedene Aspekte des gleichen Teilchens, ähnlich wie die Vektor-Bosonen verschiedene Aspekte des Photons sind.
Und was ist mit der Gravitation? Wenn man noch nicht einmal eine einheitliche Theorie dieser Kraft hat, wie soll man sie dann vereinheitlichen? Eine Lösung auf dem Weg zu dieser Theory of Everything (TOE) könnten sog. Superstrings sein, etwas sehr abstraktes. Demnach bilden unsere Teilchen keinen Punkt in der Raumzeit, sondern einen Faden. Bisher war es so, dass man ein Teilchen als Punkt an bestimmten Ortskoordinaten zu einer bestimmten Zeit angab. Jetzt versucht man ein Teilchen als einen Faden in der Raumzeit zu beschreiben. Diese Strings haben eine gewisse Länge und bewegen sich mit der Zeit vorwärts, wodurch sie eine Art zweidimensionale Fläche beschreiben. Diese Fläche kann jedoch auch gekrümmt sein, so dass sich linke und rechte Seite der Fläche treffen und so einen Zylinder bilden, der Querschnitt ist dann kreisförmig. Diese neue Vorstellung, 1984 von den beiden Physikern Michael Green und John Schwarz massiv vorangetrieben, konnte viele Ungereimtheiten, welche bei dem Versuch der Vereinheitlichung auftraten, eliminieren. Sie sagt etwas voraus, was man Supersymmetrie nennt: Demnach sind Fermionen (Materieteilchen mit halbzahligem Spin) und Bosonen (Träger der Kräfte mit ganzzahligem Spin) abermals verschiedene Aspekte ein und des selben Superteilchens, ähnlich wie oben bereits bei den Vektor-Bosonen und den Fermionen beschrieben. Damit hätte man auch das Graviton in die Theorie mit eingeschlossen. Die Superstringtheorie setzt eine 10-dimensionale Raumzeit voraus, was ziemlich verwunderlich wirkt, wenn wir unsere real wahrnehmbare vierdimensionale Raumzeit (drei Raumdimension plus eine Zeitdimension) betrachten. Dadurch wird die Theorie jedoch nicht automatisch falsch: Man geht davon aus, dass die anderen sechs Dimensionen so klein zusammengerollt sind, dass wir sie nicht wahrnehmen können. Sie sollen nicht größer als 10 -35 Meter sein, während die anderen drei Raumdimensionen unseres Universums eine Größe von 10 23 Metern haben.
Aber um jede Euphorie gleich wieder zu dämpfen: Die Stringtheorie ist nichts weiter als ein mathematisches Modell. Sie versucht Sachverhalte der Relativitätstheorie zu vereinheitlichen mit quantenphysikalischen Erkenntnissen. Man steht hierbei jedoch noch am Anfang. Es wird noch viele Jahrezehnte brauchen, bis man einigermaßen gesicherte Erkenntnisse hat – in naher Zukunft ist mit einem Erfolg also nicht zu rechnen. 

Nach dem durchlesen dieses Kapitels haben Sie einen Eindruck gewonnen wie kompliziert unsere atomare Welt aufgebaut ist. Die hier vorgestellten Teilchen sind dabei noch längst nicht alle. Es gibt um einige mehr, würden aber den Rahmen dieser Abhandlung deutlich sprengen. Sie wissen nun jedoch schon viel über Teilchen, Kräfte und ihre Wirkung. Aus der Quantenphysik ergeben sich in diesem Zusammenhang viele interessante Schlussfolgerungen, von denen ich Ihnen einige in den nächsten Kapiteln vorstellen möchte.


Zusammenfassung

Um die vier fundamentalen Kräfte zu erklären, stellt man sich im Rahmen der Quantenphysik vor, dass zwischen Teilchen Bosonen ausgetauscht werden, welche Träger der Kräfte sind. Die Quantenelektrodynamik beschreibt die elektromagnetische Kraft mit dem Austausch von Photonen, die Quantenchromodynamik die starke Kernkraft mit dem Austausch von Gluonen zwischen den Quarks. Die schwache Kernkraft wird durch drei weitere Teilchen (W+,W-,Z0) hervorgerufen. Die Weinberg-Salem-Theorie sagt eine Vereinigung der schwachen mit der elektromagnetischen  Kernkraft voraus. Tatsächlich wirken die drei Vektor-Bosonen der schwachen Wechselwirkung bei großer Beschleunigung wie ein Photon. Auch die starke Kernkraft kann theoretisch auf diese Weise vereinheitlicht werden (Grand Unified Theory (GUT)). Die Theory of Everything (TOE) soll auch die Gravitation auf ähnliche Weise mit den anderen drei Kräften verbinden, doch soweit ist man noch lange nicht. Helfen kann dabei möglicherweise die Superstring-Theorie, wobei ein Teilchen nicht mehr als Punkt sondern als Faden innerhalb der Raumzeit beschrieben wird.