die dazugehörigen Felder. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory.
Wenn du die Teilchen, aus denen dein Körper besteht, in immer kleinere Stücke zerlegen würdest, würdest du feststellen, dass bei jedem Schritt auf dem Weg – zumindest in Bezug auf die Masse – das Ganze gleich der Summe seiner Teile ist. Wenn du deinen Körper in seine einzelnen Knochen, sein Fett und seine Organe zerlegst, ergibt sich daraus ein ganzer Mensch. Wenn man sie weiter aufschlüsselt, in Zellen, würden die Zellen immer noch dieselbe Masse ergeben wie Sie. Zellen können in Organellen unterteilt werden, Organellen in einzelne Moleküle, Moleküle in Atome und Atome in Protonen, Neutronen und Elektronen. Auf dieser Ebene gibt es einen winzigen, aber bemerkenswerten Unterschied: Die einzelnen Protonen, Neutronen und Elektronen weichen dank der nuklearen Bindungsenergie um etwa 1 % von der Masse eines Menschen ab.
Etwa 0,8 % weniger als die einzelnen Protonen und Neutronen, aus denen er besteht, dank der nuklearen Bindungsenergie. Bildnachweis: Delia Walsh von http://slideplayer.com/slide/6002405/.
Ein Kohlenstoffatom, das aus sechs Protonen und sechs Neutronen besteht, ist etwa 0,8 % leichter als die einzelnen Teilchen, aus denen es sich zusammensetzt. Kohlenstoff entsteht durch die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium und dann von Helium zu Kohlenstoff; die dabei freigesetzte Energie treibt die meisten Sterntypen sowohl in ihrer normalen als auch in ihrer Roten-Riesen-Phase an, und die „verlorene Masse“ ist der Ursprung dieser Energie, dank Einsteins E = mc2. So funktionieren die meisten Arten von Bindungsenergie: Der Grund, warum es schwieriger ist, mehrere Dinge, die aneinander gebunden sind, auseinanderzuziehen, liegt darin, dass sie Energie freigesetzt haben, als sie zusammengefügt wurden, und man muss Energie aufwenden, um sie wieder zu befreien.
Deshalb ist es so rätselhaft, dass die Teilchen, aus denen das Proton besteht – die drei verschiedenen Quarks in ihrem Herzen – zusammen nur 0,2 % der Masse des gesamten Protons ausmachen.
(in MeV) oben rechts. Ein Proton, das aus zwei up-Quarks und einem down-Quark besteht, hat eine Masse von ~938 MeV/c^2. Bildnachweis: Wikimedia Commons Nutzer MissMJ, PBS NOVA, Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, unter einer c.c.a.-3.0 unported license.
Die Art und Weise, wie sich Quarks an Protonen binden, unterscheidet sich grundlegend von allen anderen Kräften und Wechselwirkungen, die wir kennen. Anstatt dass die Kraft stärker wird, wenn sich Objekte nähern – wie die Gravitations-, elektrische oder magnetische Kraft – geht die Anziehungskraft auf Null, wenn sich Quarks beliebig nahe kommen. Und anstatt dass die Kraft schwächer wird, wenn sich Objekte weiter entfernen, wird die Kraft, die Quarks wieder zusammenzieht, stärker, je weiter sie sich entfernen.
Diese Eigenschaft der starken Kernkraft ist als asymptotische Freiheit bekannt, und die Teilchen, die diese Kraft vermitteln, werden als Gluonen bezeichnet. Irgendwie kommt die Energie, die das Proton zusammenhält, die anderen 99,8 % der Masse des Protons, von diesen Gluonen.
Verbunden durch (federartige) Gluonen, ist die Struktur des Protons viel komplizierter, mit zusätzlichen (See-)Quarks und Gluonen, die das Innere des Protons bevölkern. Bildnachweis: Deutsches Elektronen-Synchrotron (DES) und die HERA- und ZEUS-Kollaborationen.
Aufgrund der Funktionsweise der starken Kernkraft gibt es große Unsicherheiten darüber, wo sich diese Gluonen tatsächlich zu jedem Zeitpunkt befinden. Wir verfügen derzeit über ein solides Modell der durchschnittlichen Gluonendichte im Inneren eines Protons, aber wenn wir wissen wollen, wo sich die Gluonen mit größerer Wahrscheinlichkeit aufhalten, brauchen wir mehr experimentelle Daten und bessere Modelle, mit denen wir die Daten vergleichen können. Die jüngsten Fortschritte der Theoretiker Björn Schenke und Heikki Mäntysaari könnten diese dringend benötigten Modelle liefern. Wie Mäntysaari ausführte:
Es ist sehr genau bekannt, wie groß die durchschnittliche Gluonendichte im Inneren eines Protons ist. Was man nicht weiß, ist, wo genau sich die Gluonen im Inneren des Protons befinden. Wir modellieren, dass sich die Gluonen um die drei Quarks herum befinden. Dann steuern wir die Menge der im Modell dargestellten Fluktuationen, indem wir einstellen, wie groß die Gluonenwolken sind und wie weit sie voneinander entfernt sind.
Gluonen und Quarkspin dargestellt. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory.
Wenn man zwei Teilchen wie Protonen, ein Proton und ein schweres Ion oder zwei schwere Ionen miteinander kollidieren lässt, kann man sie nicht einfach als Proton-Proton-Kollisionen modellieren. Stattdessen sieht man eine Verteilung von drei Arten von Kollisionen: Quark-Quark-Kollisionen, Quark-Gluon-Kollisionen oder Gluon-Gluon-Kollisionen. Es sind die Bestandteile dieser subatomaren Teilchen, die zusammenstoßen, und nicht die gesamten Strukturen (die Protonen) selbst. Während bei niedrigeren Energien fast immer Quarks kollidieren, besteht bei den höheren Energien, die mit dem RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) in Brookhaven und dem LHC am CERN erreicht werden, eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit für Gluon-Gluon-Wechselwirkungen, die das Potenzial haben, die Position der Gluonen im Inneren eines Protons aufzudecken. Wie Mäntysaari weiter ausführte:
Dieser Prozess findet überhaupt nicht statt, wenn das Proton immer gleich aussieht. Je mehr Fluktuationen wir haben, desto wahrscheinlicher ist es, dass dieser Prozess stattfindet.
eines Protons, einschließlich der Verteilung der „See“-Quarks und -Gluonen, wurde durch experimentelle Verbesserungen und neue theoretische Entwicklungen im Tandem erreicht. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory.
Die Kombination dieses neuen theoretischen Modells mit den immer besser werdenden LHC-Daten wird es den Wissenschaftlern ermöglichen, die innere, fundamentale Struktur von Protonen, Neutronen und Kernen im Allgemeinen besser zu verstehen und damit auch, woher die Masse der bekannten Objekte im Universum stammt. Der größte Segen für diese Art von Forschung wäre jedoch die Entwicklung eines Elektronen-Ionen-Beschleunigers (EIC), der von vielen Kollaborationen auf der ganzen Welt vorgeschlagen wird. Im Gegensatz zum RHIC oder dem LHC, bei denen Protonen mit Ionen kollidieren, was zu einem sehr chaotischen Endsignal führt, wäre ein EIC viel kontrollierter, da es keine internen, unkontrollierbaren Bewegungen innerhalb eines Elektrons gibt, die die experimentellen Ergebnisse verfälschen könnten.
Collider (EIC). Durch Hinzufügen eines Elektronenrings (rot) zum Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in Brookhaven würde der eRHIC entstehen. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory-CAD eRHIC-Gruppe.
Wenn man die innere Struktur eines Protons oder einer Ansammlung von Kernen untersuchen will, ist die tiefe inelastische Streuung die einzige Möglichkeit, dies zu tun. Wenn man bedenkt, dass die Kollisionsforschung vor weniger als einem Jahrhundert begonnen hat und dass wir heute Energien erreichen, die etwa um den Faktor 10.000 höher sind als zu Beginn, könnte es endlich in Reichweite sein, zu untersuchen und zu verstehen, wie genau die Materie ihre Masse erhält. Das Quark-Gluon-Plasma innerhalb des Kerns und die damit verbundenen Fluktuationen sind vielleicht endlich bereit, uns ihre Geheimnisse zu verraten. Und wenn dies der Fall ist, könnte eines der ältesten Rätsel der Physik, nämlich die Frage, woher die Masse der bekannten Materie kommt (die auch nach der Entdeckung des Higgs immer noch ein Rätsel ist), endlich für die Menschheit gelüftet werden.
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