Quark-Confinement

Als Confinement (dt. so viel wie Einsperrung) bezeichnet man in der Teilchenphysik das Phänomen, dass Teilchen mit Farbladung nicht isoliert vorkommen.

In der Natur und in Experimenten sind bislang nur Quark-Antiquark-Paare (Mesonen) oder Quark-Tripletts (Baryonen) beobachtet worden. Quarks kommen also nur „eingesperrt“ (engl. confined) in Mesonen oder Baryonen vor. Versuche, mit hohen Energien die Quarks zu „trennen“, bewirkten eine spontane Paarbildung (aufgrund der aufgewendeten Energie) und die Bildung weiterer Paare und Tripletts bzw. Antitripletts.

Man nimmt an, dass Gluonen, die auch Farbladung besitzen, sich zu Glueballs (eng. Klebeball) zusammenfinden.

Im Rahmen der Quantenchromodynamik (Quantenfeldtheorie der starken Wechselwirkung) steht das Confinement im Zusammenhang mit der Farbladung der Quarks und Gluonen: Farbladungen kommen in drei Arten vor, und zu jeder Farbladung gibt es eine entgegengesetzte Antifarbladung. Wenn ein Teilchen insgesamt eine Einheit einer Farbladung und eine Einheit der entsprechenden Antifarbladung enthält, ist es farbladungsneutral. Genauso ist ein Teilchen, in dem jede der drei Farbladungen (oder jede der drei Antifarbladungen) in gleicher Stärke vorkommt, farbladungsneutral. Allgemeiner formuliert, bedeutet Confinement: „In der Natur kommen nur farbneutrale Objekte vor.“. Die Nicht-Existenz der (unweigerlich farbgeladenen) freien einzelnen Quarks Stromquarks ist somit ein Spezialfall dieser allgemeineren Formulierung. Sie hat auch zur Konsequenz, dass die starke Wechselwirkung nur eine sehr kurze Reichweite hat, da nach außen hin keine Farbladung sichtbar ist. Die Farbladungsneutralität ist analog zur additiven Farbmischung.

Der genaue Mechanismus des Confinement ist bislang nur ansatzweise verstanden. Durch Methoden der Gittereichtheorie und der Störungstheorie innerhalb der Quantenchromodynamik ist es gelungen, ein so genanntes „Quark-Potenzial“ zu bestimmen. Während in anderen Wechselwirkungen, etwa der Gravitation oder im Elektromagnetismus, die Wechselwirkungsstärke mit zunehmendem Abstand abnimmt, wächst sie bei Quarks. Um zwei Quarks voneinander zu trennen, muss man also eine immer größere Energie aufwenden. Irgendwann wird diese aufzuwendene Energie so groß, dass sie zur Paarbildung (Physik) eines Quark-Antiquark Paares ausreicht. Anstatt zwei Quarks zu trennen, entsteht dann (beispielsweise) auf der einen Seite ein Meson, auf der anderen ein Antimeson.

Ein vollständiges Verständnis des Confinement erfordert die Entwicklung geeigneter Methoden, um innerhalb der Quantenchromodynamik Vielkörperprobleme zu lösen.

Im (reziproken) Zusammenhang steht die „Asymptotische Freiheit“, die die Erkenntnis meint, dass die Wechselwirkung von Quarks immer geringer wird, je näher sie einander kommen. Für die Entwicklung einer Theorie (nicht-abelsche Eichtheorie) zur Erklärung der Asymptotischen Freiheit im Jahre 1973 erhielten die Wissenschaftler David Politzer, David Gross und Frank Wilczek 2004 den Nobelpreis für Physik.

Ein Potentialtopf wird häufig als quantenmechanisches Confinement bezeichnet (Lokalisierung).