Krisen lauern mitunter an überraschenden Orten – zum Beispiel im Inneren von Atomkernen. So rätseln Physiker seit Jahrzehnten, woher genau der Spin des Protons kommt. Diese quantenmechanische Eigenschaft, die man sich stark vereinfacht als Drehung um die eigene Achse vorstellen kann, ist für den Kern des Wasserstoffatoms zwar klar definiert: Protonen haben einen Spin von 1/2, wie jeder Physikstudent lernt. Aber woher kommt dieser Wert? Zunächst dachten Wissenschaftler, dass er im Wesentlichen auf die Selbstdrehung der drei Quarks im Inneren des Kerns zurückgeht. Experimente an Teilchenbeschleunigern zeigten in den 1980er Jahren jedoch, dass so allenfalls ein kleiner Teil des Spins erklärt werden kann.

Inzwischen haben Physiker einen nennenswerten Fortschritt bei der Beilegung dieser »Proton-Spin-Krise« gemacht: Ein Team um Yi-Bo Yang von der University of Kentucky hat berechnet, dass Gluonen für etwa die Hälfte des Protonenschwungs aufkommen müssten. Gluonen sind die Botenteilchen der starken Kernkraft, die zwischen Quarks wirkt und so Materie im Innersten zusammenhält. Die »Klebstoff-Teilchen« huschen ständig kreuz und quer durch den Atomkern. Forscher vermuten schon länger, dass einige von ihnen dabei einen Teil ihres Spins auf den gesamten Nukleus übertragen.

Im Detail ist die Lage noch etwas unübersichtlicher: Die Gleichungen der Quantenchromodynamik sehen noch weitere Teilchen vor, die im Inneren von Atomkernen ihr Unwesen treiben. Die drei Haupt-Quarks umgibt demnach eine diffuse Wolke, die nicht nur aus Gluonen besteht, sondern auch aus kurzlebigen Quark-Antiquark-Paaren. Wie die Drehbewegungen all dieser Komponenten zusammenwirken und dabei just einen Spin von 1/2 für das Proton ergeben, entschlüsseln Physiker erst nach und nach.

Bereits vor einigen Jahren konnten Wissenschaftler den Beitrag der drei Quarks des Protons auf etwa 30 Prozent festlegen. Yi-Bo Yangs Team ist erstmals eine seriöse Schätzung für den genauen Beitrag der Gluonen gelungen, den die Forscher auf 50 Prozent bemessen. Die Forscher berechneten hierzu die komplizierten Wechselwirkungen im Proton mit Hilfe aufwändiger Computersimulationen.

Und die verbleibenden 20 Prozent? Ein Teil davon kommt vermutlich von dem Schwung, den die umhersausenden Elementarteilchen ihrem Atomkern geben, schätzen Forscher. Was die Details angeht, bleiben aus Sicht der Experten aber noch genügend Fragen für weitere Studien offen.