Hadron

Hadronen
Fermionen halbzahliger Spin	Bosonen ganzzahliger Spin
Baryonen 3 Quarks	Mesonen 1 Quark + 1 Antiquark
Antibaryonen 3 Antiquarks

Hadronen werden zunächst nach ihrem Spin in Mesonen (bosonisch) und Baryonen (fermionisch) unterteilt. Diese Gruppen können anhand der Konstituentenquarks noch weiter differenziert werden.

Als Hadronen (von altgriechisch ἁδρός hadrós ‚dick‘, ‚stark‘)^[1] bezeichnet man Teilchen, die der starken Wechselwirkung unterworfen sind, im Gegensatz etwa zu Leptonen. Sie sind aus Quarks oder deren Antiteilchen zusammengesetzt und somit im eigentlichen Sinn keine Elementarteilchen. Die bekanntesten Hadronen sind die Nukleonen (Neutronen und Protonen), aus denen die Atomkerne aufgebaut sind.
Je nach Spin werden die Hadronen in 2 Typen eingeteilt:

• Mesonen, sie haben ganzzahligen Spin und sind damit Bosonen. Sie bestehen aus einem Quark und einem Antiquark, dem Antiteilchen eines Quarks. Beispiele für Mesonen sind Pi-Meson und K-Meson.
• Baryonen, sie haben halbzahligen Spin und sind damit Fermionen. Sie bestehen aus drei Quarks (Antibaryonen aus drei Antiquarks). Beispiele für Baryonen sind Proton und Neutron.

Neben den o.g. Beispielen gibt es noch zahlreiche weitere Hadronen.

Hadronen werden oft vereinfacht als sphärisch angenommen und haben einen Radius von ca. 10⁻¹⁵ m.

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

Die Übergänge zwischen Quarks verschiedener Flavour-Quantenzahlen (up, down, strange, sowie die sehr viel schwereren charm, bottom, top) werden durch die schwache Wechselwirkung bewirkt, die somit auch Übergänge zwischen verschiedenen Hadronen ermöglicht. Da sie durch den Austausch schwerer W-Bosonen erzeugt wird, sind diese Zerfälle relativ langsam. Neutronen zerfallen z. B. unter Abgabe eines Elektrons und Antineutrinos in Protonen (Betazerfall), und ihre Gesamtzahl ist in Kernen nur stabil, weil dort meist mit einem Zerfall zugleich 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 abhängt (Betazerfall über schwache Wechselwirkung, Alphazerfall über den Tunneleffekt usw.).

Die starke Wechselwirkung wird auf „fundamentaler Ebene“ durch die Quantenchromodynamik als Austausch von Gluonen beschrieben, oder – wie in der Kernphysik noch überwiegend üblich – auf der „phänomenologischen 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 festlegen, noch Gluonen und eine Wolke virtueller Quark-Antiquark-Paare vorhanden sind. „Virtuell“ heißt, dass nach der Quantenfeldtheorie aus dem Vakuum ständig solche Paare von Teilchen und Antiteilchen erzeugt und gleich wieder vernichtet werden. Allgemein rührt bei Hadronen aus leichten Quarks (up, down) die Masse zum größten Teil nicht von den Valenzquarks her. Vielmehr wird diese durch die starke Wechselwirkung dynamisch erzeugt.

Einen Teil des umfangreichen Hadronen„zoos“ nehmen extrem kurzlebige Anregungszustände, die „Resonanzen“, ein, die bei inelastischen Streuexperimenten beobachtet werden. Theoretisch kann es Hadronen beliebig hoher Masse geben (wenn man den Massebereich, in dem die Gravitation wichtig wird, einmal beiseite lässt). Je schwerer ein Hadron ist, desto kurzlebiger ist es im Allgemeinen.

Diskutiert werden auch die Existenz exotischer Hadronen wie der bisher rein hypothetischen Pentaquarks, welche aus vier Quarks und einem Antiquark bestünden und dementsprechend Baryonen wären, oder die ebenfalls hypothetischen Tetraquarks, die aus zwei Quarks und zwei Antiquarks bestünden und dementsprechend Mesonen wären. Weitere exotische Hadronen wären sogenannte Hybride (Zustände die neben Quarks auch gluonische Anregungen enthalten) oder rein aus Gluonen bestehende Glueballs. Neben den Hadronen gibt es eventuell neue Materiezustände wie das Quark-Gluon-Plasma, für das es erste Hinweise in Kollisionsexperimenten mit schweren Ionen gibt.

Literatur

• Harald Fritzsch: Elementarteilchen. Bausteine der Materie. C.H.Beck Verlag, München 2004, ISBN 978-3-406-50846-2.
• Kenneth S. Krane: Introductory Nuclear Physics. Wiley & Sons, 1998.
• Henley Frauenfelder: Teilchen und Kerne. 4. Auflage. Oldenbourg, 1999, ISBN 3-486-24417-5.
• Bogdan Povh, Rith, Scholz, Zetsche: Teilchen und Kerne. 6. Auflage. Springer, Berlin 2004.
• Theo Mayer-Kuckuk: Kernphysik. 7. Auflage. Teubner Verlag, 2002.
• Erich Lohrmann: Hochenergiephysik. 5. Auflage. Teubner Verlag, Stuttgart [u.a.] 2005, ISBN 3-519-43043-6
• Horst Kuchling: Taschenbuch der Physik. 19. Auflage. Hanser Verlag, 2007, ISBN 978-3-446-41028-2.
• Sigfrido Boffi: Perspectives in hadronic physics. Springer, Berlin 2004, ISBN 3-540-21064-4.
• Joseph Cugnon: Hadronic Physics. American Inst. of Physics, Melville 2008, ISBN 978-0-7354-0562-2.

Weblinks

 Wiktionary: Hadron – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Hadronen und Kerne - Einführung auf „Welt der Physik“
• Paul, Weise (TU München): online Skript Teilchen und Kerne ( Mirror (Max-Planck-Institut für Physik, R. Wagner))

Einzelnachweise

1. ↑ Wilhelm Gemoll: Griechisch-Deutsches Schul- und Handwörterbuch. München/Wien 1965.