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Wenn Quarks Pirouetten drehen

Physiker weisen neue Wege aus ihrer „Spinkrise“

Die Erde dreht sich um sich selbst – das weiß heute jedes Kind. Weniger bekannt ist dagegen, daß auch winzige Materieteilchen um ihre eigene Achse rotieren – beispielsweise Atome, aber auch Neutronen und Protonen, die Bausteine der Atomkerne. Dieser als „Spin“ bezeichnete Eigendrall bereitet den Physikern seit Jahren Kopfzerbrechen. Dank neuer Ergebnisse vom Hamburger Teilchenbeschleuniger „Hera“ wird jetzt allmählich klar, wie Protonen und Neutronen zu ihrem Drall kommen.

Noch vor zwölf Jahren schien die Ursache für das Kreiseln der Protonen denkbar einfach; sogenannte Quarks, also die Bausteine von Protonen und Neutronen, mußten dazu beitragen: „Man stellte sich ganz naiv vor, daß das Proton aus drei Quarks besteht, die sich jeweils um sich selber drehen“, erläutert Michael Düren, Teilchenphysiker an der Universität Nürnberg-Erlangen. „Zwei Quarks drehen sich in die eine Richtung, das dritte in die andere, und ihr Gesamtspin addiert sich zu dem Spin des Protons.“

Balletbühne für Quarks-Tänzer

Doch diese simple Formel erwies sich als falsch. Das 1987 am Europäischen Labor für Teilchenphysik CERN in Genf vorgenommene EMC-(European Muon Collaboration)-Experiment hatte ergeben, daß die Summe der Quark-Spins nur einen Bruchteil des erwarteten Wertes für den Protonenspin betrug. Was den Löwenanteil beisteuerte, war den Experten ein Rätsel – die „Spinkrise“ machte sich breit.

Mancher Teilchenforscher stellte sogar das weitgehend anerkannte Quarkmodell in Frage. Erhellendes konnten nur neue Versuchsaufbauten bringen. So entstand am Deutschen Elektronen-Synchrotron „Desy“ in Hamburg das Experiment „Hermes“. Es gewinnt seine Daten am Großbeschleuniger „Hera“. Das Prinzip: Nahezu lichtschnelle Elektronen stoßen mit voller Wucht auf eine Gaswolke aus Helium- oder Wasserstoffatomen. Danach fängt ein Spezialdetektor die vom Gas abgelenkten schnellen Elektronen auf, aber auch die aus dem Gasatomkernen geschlagenen Elementarteilchen.

„Stellt man sich das Proton als Balletbühne vor, auf der die Quarks als Tänzer hin- und herlaufen und ihre Pirouetten drehen, dann kann Hermes präzise messen, wie sich diese Tänzer bewegen und drehen“, erläutert Düren. In diesem Bild entspricht das ins Proton eingeschossene Elektron einem Medizinball, den man nach „Brennball“-Manier auf die Bühne wirft, um einen der Tänzer ins Auditorium zu befördern. Aus der Art und Weise, wie der Ballettkünstler von den Brettern purzelt, kann man in den Zuschauerreihen auf den Drehsinn seiner Pirouetten schließen. Bezogen auf Hermes heißt das: Der Teilchendetektor mißt die abgelenkten Elektronen ebenso wie die aus dem Atomkern herausgeschlagenen Teilchen.

Aus den Meßdaten können die Physiker mit Hilfe aufwendiger Computerberechnungen rekonstruieren, wie sich die Quarks im Inneren des Protons bewegen und wie stark ihr jeweiliger Eigendrall ist. Kürzlich stellten die Hermes-Physiker aufschlußreiche Zwischenergebnisse vor: Demnach tragen neben den Quarks auch die sogenannten Gluonen zum Protonenspin bei. Gluonen sorgen als „Leimteilchen“ für das Zusammenhaften der drei Quarks, indem sie unmeßbar schnell zwischen ihnen hin- und hereilen und als Boten die Informationen über das Kraftfeld übermitteln. Gelegentlich können sich die Leimlinge sogar materialisieren: Für einen winzigen Augenblick verwandeln sie sich in Quarks, die „See“-Quarks. Die drei eigentlichen Quarks (Valenzquarks) schwimmen also in einem flirrenden, wabernden See bestehend aus Gluonen und See-Quarks.

Übertragen auf die Ballettbühne heißt das, daß die Tänzer durch Gummibänder miteinander verbunden sind. „Die Leimteilchen halten die Quarks zusammen wie Bänder“, erläutert Düren. „Die Tänzer können also nicht nur um ihre eigene Achse rotieren, sondern sich mit einem Gummiband in ihrer Mitte auch umeinander drehen.“ Physikalisch formuliert: Zum Eigendrall der einzelnen Teilchen kommen noch die „Bahndrehimpulse“ der jeweiligen Relativbewegungen hinzu – ein sehr viel komplexeres Bild, als es die Physiker früher gezeichnet hatten. Gemäß der neuesten Hermes-Daten tragen die Quarks nur zu etwa 28 Prozent zum Spin des Protons bei. Durch eine sorgfältige Analyse der Stoßprozesse gelang es den Physikern sogar, die Spinbeiträge der verschiedenen „Quark-Sorten“ aufzuschlüsseln. So drehen sich die „Up-Quarks“ in der gleichen Richtung wie das Proton, während die „Down-Quarks“ entgegengesetzt rotieren.

Bild des Teilchen-Karussells

Die extrem kurzlebigen See-Quarks hingegen leisten wahrscheinlich keinen Beitrag. Für den Löwenanteil des Protonen-Drehwurms scheinen demnach die Gluonen verantwortlich zu sein – und zwar sowohl durch ihren Eigendrall als auch ihr wirbelndes Wechselspiel mit den Quarks.Auf ein exaktes Bild des komplexen Teilchen-Karussells hoffen die Physiker in einigen Jahren. Dann wird Hermes weitere Meßdaten geliefert und zudem Unterstützung durch ein neues Experiment erhalten haben: Ab nächstem Jahr soll „Compass“ (Common Muon Proton Apparatus for Structure and Spectroscop) am CERN die Drehbewegungen der Gluonen im Detail vermessen. FRANK GROTELÜSCHEN

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