Hadronen

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

Hadronen sind Teilchen, die der starken Wechselwirkung unterworfen sind. Da man sie heute als aus Quarks aufgebaut betrachtet, 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 die Hadronen eingeteilt in

• Mesonen, bestehend aus einem Quark und einem Antiquark, dem Antiteilchen eines Quarks,
• Baryonen aus drei Quarks (Antibaryonen aus drei Antiquarks).

Beispiele für Mesonen sind Pi-Meson und K-Meson, für die Baryonen Neutron und Antiproton.

Da Quarks den Spin 1/2 haben, sind Baryonen ebenfalls Fermionen mit halbzahligem Spin, Mesonen dagegen Bosonen mit ganzzahligem Spin.

Hadronen sind meist sphärisch 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 Anti-Teilchen erzeugt und gleich wieder vernichtet werden. Diese sogenannten See-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 her.

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, und ganz 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 Inc., 1998
• Frauenfelder, Henley: Teilchen und Kerne, Oldenbourg, 4. Auflage 1999, ISBN 3-486-24417-5
• Povh, Rith, Scholz, Zetsche: Teilchen und Kerne, Springer, 6. Auflage 2004
• Theo Mayer-Kuckuk: Kernphysik, Teubner Verlag, 7. Auflage 2002
• Lohrmann: Hochenergiephysik, Teubner Verlag
• Horst Kuchling: Taschenbuch der Physik, Hanser Verlag, 19. Auflage 2007, ISBN 978-3-446-41028-2

Weblinks

• 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))