Das erste Bild eines Atomkerns, bestehend aus Quarks und Gluonen

Atomkerne, die aus Protonen und Neutronen bestehen, verbergen in ihrem Inneren Quarks und Gluonen. Letztere sind immer noch schwer zu untersuchen und haben den Wissenschaftlern lange Zeit entzogen.

Mitte des 20. Jahrhunderts entdeckten die Physiker, dass Protonen und Neutronen die Hauptbestandteile von Atomkernen sind. Doch eine neue Enthüllung veränderte alles: Diese Teilchen bestehen aus Quarks.


In den 1960er Jahren erkannten die Forscher, dass Quarks durch Gluonen miteinander interagieren. Dieses zu seiner Zeit revolutionäre Modell war jedoch immer noch unvollständig, um bestimmte Phänomene bei niedriger Energie zu erklären. Die Wissenschaftler standen vor einem Rätsel: Wie lässt sich das Verhalten von Protonen und Neutronen bei niedriger Energie mit demjenigen von Quarks und Gluonen bei hoher Energie vereinen? Das Rätsel blieb bis vor Kurzem ungelöst.

Physiker, insbesondere jene des Instituts für Kernphysik in Krakau, entwickelten ein Modell, das Daten aus Kollisionen bei hoher und niedriger Energie kombiniert. Dieses Modell untersucht endlich diese Grenze.

Dank der am CERN-LHC durchgeführten Experimente analysierten sie Atomkerne bei hoher Energie und zeigten die interne Verteilung von Quarks und Gluonen. Dieser Fortschritt ermöglicht ein tieferes Verständnis der nuklearen Wechselwirkungen. Die Forschung konzentrierte sich auf achtzehn Atomkerne, von Kohlenstoff bis Gold. Die Ergebnisse bestätigten, dass die meisten Nukleonenpaare aus einem Proton und einem Neutron bestehen, insbesondere in schweren Kernen.

Die durch diese Entdeckungen eröffneten Perspektiven könnten die Kernphysik revolutionieren und den Weg für neue Experimente ebnen, um die Geheimnisse der Materie zu entschlüsseln.

Was ist ein Quark?

Ein Quark ist ein Elementarteilchen, das die Protonen und Neutronen im Kern eines Atoms bildet. Es gibt sechs Arten von Quarks (sogenannte „Geschmacksrichtungen“): Up, Down, Charm, Strange, Top und Bottom. Quarks interagieren stark miteinander durch Gluonen, Teilchen, die die starke Kernkraft übertragen – eine der fundamentalen Kräfte der Physik.

Quarks werden von Gluonen zusammengehalten, die wie unsichtbarer „Kleber“ wirken. Diese Gluonen üben die starke Kernkraft aus, die mächtigste der fundamentalen Kräfte, und ermöglichen es, die Quarks innerhalb der Protonen und Neutronen zu halten. Diese Wechselwirkung sorgt für die Stabilität der Atomkerne.

Das Quarks-und-Gluonen-Modell ist eine theoretische Beschreibung, die die innere Struktur von Protonen und Neutronen erklärt. Bei hoher Energie dient dieser Ansatz dazu, zu untersuchen, wie Quarks und Gluonen innerhalb subatomarer Teilchen verteilt sind und wie sie sich bei energiereichen Kollisionen verhalten, wie sie in Teilchenbeschleunigern durchgeführt werden.