Quantenchromodynamik

Quan|ten|chro|mo|dy|na|mik [chromo-; griech. dýnamis = Kraft], die; -; Abk.: QCD: ↑ Color.

* * *

Quạntenchromodynamik,

 

Abkürzung QCD, Farbdynamik, die in Anlehnung an die Quantenelektrodynamik seit 1974 u. a. von S. Weinberg und M. Gell-Mann entwickelte Quantenfeldtheorie zur Beschreibung der starken Wechselwirkung zwischen den Quarks. Die dem Photon entsprechenden Eichbosonen der QCD sind die Gluonen. An die Stelle der elektrischen Ladung tritt die Farbladung (Color). Damit wird ein zusätzlicher Freiheitsgrad der Quarks bezeichnet, der drei, gelegentlich mit »rot«, »grün« und »blau« benannte Zustände annehmen kann (r, g, b; Antifarbladungen r̄, ḡ, b̄). Im Gegensatz zu den Photonen, die keine Ladung tragen, tragen die acht verschiedenen Gluonenzustände je eine Farb- und Antifarbladung (rḡ, br̄ usw.). Die starke Wechselwirkung wird über den Austausch von Gluonen zwischen den Quarks vermittelt, wobei in der QCD die Besonderheit auftritt, dass nicht nur Quarks und Gluonen aneinander, sondern auch die Gluonen untereinander koppeln. Dies führt zu einer stark abstandsabhängigen Kopplung der Quarks. Bei sehr kleinen Abständen (< 10^-15 m) gehen die Kräfte zwischen den Quarks asymptotisch gegen null, während sie mit zunehmendem Abstand stark anwachsen. Daher können quasifreie Quarks nur innerhalb begrenzter Raumgebiete, nämlich im Innern von Hadronen, existieren (asymptotische Freiheit).

 

Hadronen unterteilen sich in die Gruppe der Baryonen, die aus drei Quarks bestehen, und die Gruppe der Mesonen, die aus einem Quark und einem Antiquark bestehen. Da außerhalb der Hadronen kein Gluonfeld existiert, müssen die Quarks beim Aufbau eines Hadrons so kombiniert werden, dass das Hadron »farblos« ist, d. h. die Farbladung 0 trägt (Baryonen: rgb, Mesonen: rr̄, gḡ, bb̄). Versucht man, ein Quark aus einem Hadron zu isolieren, wächst mit zunehmendem Abstand die Energie des Gluonfeldes so stark an, dass damit Quark-Antiquark-Paare aus dem Vakuum erzeugt werden, die zur unmittelbaren Bildung neuer Hadronen führen. Dieser Einschluss der Quarks in Hadronen wird als Confinement bezeichnet. Bei Beschleunigerexperimenten mit Elementarteilchen lassen sich daher keine freien Quarks beobachten, sondern nur die in Form von Teilchenbündeln (Jets) entstehenden Hadronen. Der erste, als Bestätigung der QCD gewertete Nachweis von Gluonen anhand solcher Hadron-Jets gelang 1979 am Deutschen Elektronen-Synchrotron mit dem Speicherring PETRA. Obwohl Quarks und Gluonen unter normalen Umständen nicht als freie Teilchen, sondern nur in Hadronen gebunden auftreten, sollten sie bei so extrem hohen Temperaturen (etwa 10¹⁴ K) beziehungsweise Energiedichten, wie sie bis kurz nach dem Urknall bestanden haben, ein so genanntes Quark-Gluon-Plasma bilden. Es bestehen gute Aussichten, diesen Zustand durch hochenergetische Stöße von Schwerionen (z. B. Blei-Ionen) für kurze Zeit zu erzeugen. (Elementarteilchen)

 

Literatur:

 

P. Becher u. a.: Eichtheorien der starken u. elektroschwachen Wechselwirkung (²1983);

 T. Muta: Foundations of quantum chromodynamics (Singapur 1987);

 F. J. Ynduráin: The theory of quark and gluon interactions (Berlin ²1993).