So einfach wie möglich, so kompliziert wie nötig

News: So einfach wie möglich, so kompliziert wie nötig

Die mathematische Beschreibung von Protonen ist eine komplizierte Angelegenheit. Auch ein einfacheres Modell aus den 70er Jahren kann erstaunlich gut eine Reihe experimenteller Befunde erklären. In einer neuen Arbeit wird versucht, die beiden Theorien zu verbinden.

"Wir hoffen, daß es durch unsere Arbeit für alle, die mit dem Quark-Modell arbeiten, einfacher wird, einen Großteil der experimentellen Daten zu errechnen", sagte Kenneth Wilson, Professor für Physik an der Ohio State University und Nobelpreisträger im Jahre 1982. "Zur Zeit sind die Gleichungen, welche die Protonenstruktur beschreiben, sehr kompliziert." Wilson unterstützt die Leitung der Forschungsgruppe bei diesem Projekt. Zur Gruppe gehören ferner Robert Perry, gleichfalls Physikprofessor, sowie Stan Glazek von der Warschauer Universität. Die Forscher diskutierten ihr Modell am 18. April 1998 anläßlich des Treffens der American Physical Society in Columbus.

Es ist für die Physiker ein kniffliges Problem, die Struktur des Protons mathematisch zu beschreiben. Sie nehmen an, daß das Teilchen von einer Wolke virtueller Partikel umgeben ist, die ständig entstehen und wieder vergehen und dadurch die Gleichungen enorm komplizieren. In den frühen 70er Jahren erdachte Richard Feynman, damals Physiker bei Caltech, eine Methode, mit der die Bausteine des Protons von diesen virtuellen Teilchen getrennt werden können – zumindest mathematisch. Er nahm an, daß ein Proton, das sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, schneller als die langsameren virtuellen Partikel sein würde, so daß die Physiker seine Bestandteile ungestört beobachten könnten. Feynman stellte sich als Bestandteile der Protonen nur drei Elementarteilchen, die Quarks, vor. Dadurch wurde die zugehörige Mathematik sehr vereinfacht.

Heutzutage glauben die Wissenschaftler, daß Protonen aus Quarks und anderen Elementarteilchen, den Gluonen, bestehen und daß die massenlosen und ladungsfreien Gluonen die Quarks miteinander verbinden. Die gegenwärtige Theorie ist viel komplizierter als Feynmans Modell: Nach der heutigen Annahme ist die Verbindung zwischen Quarks und Gluonen so stark, daß die Zertrümmerung eines Protons im Teilchenbeschleuniger nicht nur drei Quarks (wie von Feynman vorhergesagt), sondern einen ganzen Regen aus Quarks, Anti-Quarks und Gluonen entfesseln würde.

Dennoch boten Feynmans Ideen einfache Gleichungen, die mit den Ergebnissen von Experimenten bezüglich des Energiegehaltes der Protonen übereinstimmten. "Die Frage war: Da wir nun einmal diese sehr komplexe Quarktheorie hatten, warum funktionierte Feynmans einfaches Modell immer noch so gut? Keiner konnte das je erklären. Ja, das Problem wurde so schwierig, daß man einfach aufgab", sagte Wilson.

Er und seine Kollegen haben eine neue Hypothese über die Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen aufgestellt. Sie glauben, daß Gluonen zwar untereinander eine starke Verbindung eingehen, daß ihre Bindung zu den Quarks jedoch weniger fest ist. Dadurch könnten die Quarks bei Experimenten nicht so leicht entkommen, und gleichzeitig würde Feynmans einfacheres mathematisches Modell funktionieren.

"Die Verbindung der Gluonen untereinander ist ziemlich stark, und diese Verbindung schließt die Quarks innerhalb des Protons ein", erläuterte Wilson. Zerbrechen die Bindungen zwischen den Gluonen, werden dem neuen Modell zufolge bei der Reaktion vor allem weitere Gluonen ausgestoßen. Andere Teilchen wie Anti-Quarks und virtuelle Partikel tauchen nicht auf, da zwischen den Quarks keine festen Bindungen bestehen. Selbst Gluonen sollten nur selten emittiert werden, denn nach der neuen Theorie wird von ihnen erwartet, daß sie eine große Masse haben, was ihre Entstehung wiederum erschwert.

Die Arbeit befindet sich erst in ihrer Anfangsphase, und die Forscher der Ohio State University werden sie mathematisch weiterentwickeln. Doch sie hoffen, daß schon vorher andere Physiker die neue Theorie aufgreifen werden.

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