Die Quantenchromodynamik (QCD) ist die Quantenfeldtheorie (QFT) der starken Wechselwirkung. Sie beschreibt und erklärt, den Zusammenhalt der Atomkerne, der Nukleonen (Proton und Neutron) bzw. allgemein gesprochen der Hadronen.

Was Atomkerne zusammenhält

Die Existenz von Atomkernen war bis zum Aufkommen der QCD unverstanden, weil es nicht erklärbar war, wie Protonen, die sich aufgrund ihrer gleichnamigen elektrischen Ladung abstoßen, einen Verbund bilden konnten. Die Erklärung ist, dass die starke Wechselwirkung, die sehr kurzreichweitig ist, nämlich gerade auf einige 'Fermi' (= Femtometer, 10^-15 Meter, was gerade der Bereich der Kerndurchmesser ist) die elektromagnetische Abstoßung um ein Vielfaches übertrifft! Genau daher rührt ihre Bezeichnung 'stark'. Es stellte sich außerdem heraus, dass es eine weitere Substruktur gibt und viele Teilchen aus den Quarks aufgebaut sind. Man kennt sechs solcher Quarks, die sich in der Eigenschaft Flavor unterscheiden. Die Terminologie ist u, d, s, c, b, t, als Abkürzungen für up, down, strange, charm, bottom und top. Diese Bezeichnungen sind natürlich willkürlich und im Prinzip irrelevant. Sie dienen nur der Unterscheidung. Es gibt zu diesen sechs Quarks die jeweiligen Antiquarks, also weitere sechs Teilchen.

Massen und Ladungen der Quarks

• u: 5 MeV, +2/3 (in Einheiten der Elementarladunge)
• d: 10 MeV, -1/3
• s: 200 MeV, -1/3
• c: 1.5 GeV, +2/3
• b: 4.7 GeV, -1/3
• t: 180 GeV, +2/3

(Quelle: CERN-Homepage, Stand August 2002)

Das top-Quark wurde aufgrund seiner hohen Masse erst 1995 am FERMILAB experimentell nachgewiesen. Ebenfalls am FERMILAB wurde bereits 1977 das bottom-Quark entdeckt.

Hadronen, Mesonen, Baryonen

Es gibt eine Klassifikation der Hadronen, das sind alle Teilchen, die aus Quarks bestehen, in Mesonen, die aus zwei Quarks bestehen (einem Quark und einem Antiquark) und Baryonen, die aus drei Quarks bestehen. So sind Proton (Substruktur uud) und Neutron (udd) Hadronen, aber im Speziellen Baryonen.

Gluonen vermitteln starke Kraft

In der Gruppentheorie bezeichnet man die entsprechende Symmetriegruppe der starken Wechselwirkung als spezielle, unitäre Transformationsgruppe SU(3). Diese Gruppe hat acht reelle, unabhängige Parameter die gerade die Eichbosonen repräsentieren. Daher hat die SU(3) acht Gluonen, die gerade die starke Wechselwirkung zwischen Trägern der Farbladung vermitteln. Die Teilchenphysiker nennen diese Gruppe auch die Farb-SU(3). Die Farbladung ist das Pendant zur elektrischen Ladung der Quantenelektrodynamik (QED), nur das hier nicht zwei (analog zu positiv und negativ) Zustände möglich sind, sondern drei, nämlich die Farben rot, grün und blau. Hier rührt die Bezeichnung chroma von QCD her, dem griechischen Wort für Farbe. Im Gegensatz zur QED, wo das Photon keine elektrische Ladung trägt, liegt eine besondere Eigenschaft der Gluonen darin, dass sie Träger der Farbladung sind. D.h. Gluonen spüren selbst die starke Kraft, die sie übertragen!

Was Atomkerne zusammenhält

Der Grundzustand der QCD zeigt, dass die chiraleSymmetrie gebrochen ist und erklärt außerdem das Confinement und die Massen der Quarks ('Farbladungseinschluss'). Mithilfe neuer Untersuchungen im Rahmen der QCD-Gittertheorie (Lattice Quantum Chromodynamics, LQCD) lässt sich nachweisen, dass ab Temperaturen oberhalb von etwa 150 MeV (vgl. auch Bag-Konstante) ein Phasenübergang einsetzt, der die chirale Symmetrie wiederherstellt, das Confinement aufhebt und so sämtliche Farbladungen freisetzt! Diese Hochtemperaturphase kennt man Quark-Gluon-Plasma (QGP) und vermutet, dass diese Plasmen tief im Innern von Neutronensternen bzw. Quarksternen realisiert sind. Hochenergiephysiker nehmen auch an, dass das QGP in einer Frühphase des Kosmos existiert habe. 2004 gelang Physikern am Teilchenbeschleuniger RHIC der experimentelle Nachweis des QGPs.

QCD und Stringtheorien

Interessanterweise bieten die Stringtheorien die Möglichkeit das Regime starker Kopplung der QCD zu berechnen. Die Störungstheorie der herkömmlichen Feldtheorien versagt hier. Die experimentellen Daten von Gold-Gold-Stößen am Teilchenbeschleuniger RHIC konnten mit den QCD-Strings sehr gut erklärt werden (E.V. Shuryak, Proceedings of Continuous Advances in QCD 2006, hep-ph/0608177).