Gluon

In der Teilchenphysik sind die Gluonen (engl. to glue = kleben) subatomare Elementarteilchen, die indirekt für die Anziehung von Protonen und Neutronen in einem Atomkern verantwortlich sind. Das Symbol für das Gluon ist ein g.

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Damit bilden die Gluonen die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung. Es gibt 8 verschiedene Gluonen, die zwischen Quarks, den Bausteinen der Hadronen (Baryonen, z. B. Protonen und Neutronen, und Mesonen), ausgetauscht werden. Gluonen sind elektrisch neutral und werden innerhalb des Standardmodells als masselos angenommen, während experimentell eine Masse von einigen MeV nicht ausgeschlossen werden kann.[1] Sie besitzen eine Farbladung, die sich immer aus einer Farbe und einer Antifarbe zusammensetzt. Durch diese können die verschiedenen Gluonen unterschieden werden.

Aus gruppentheoretischen Überlegungen ergeben sich die möglichen Kombinationen von Farben und Antifarben in Gluonen. Dabei gilt folgende Relation: (In Worten: Das direkte Produkt des Farbtripletts mit dem Anti-Farbtriplett ergibt die direkte Summe bestehend aus Oktett und einem Singulett) Das Singulett ist nun nicht in der Lage die Farbe eines Quarks zu ändern, da es einen total symmetrischen Zustand darstellt. Man kann sich diesen Sachverhalt in Analogie zu Spinzuständen vorstellen. Alle in der Natur auftretenden Gluonen tragen "Bruttofarbe" (entspricht: der Gesamtspin ist von null verschieden). Darunter befinden sich zwei Gluonen (die beiden letzten in der folgenden Auflistung), die keine "Nettofarbe" (entspricht: z-Komponente des Spins ist null) besitzen, aber "Bruttofarbe" (Spin) besitzen auch sie. Dagegen ist das Singulett echt farblos (spinlos) und wenn es existierte, wäre es nicht an das Confinement gebunden, d. h. es würde eine Komponente mit unendlicher Reichweite der starken Wechselwirkung existieren, die in der Natur nicht beobachtet wird. Aus diesem Grund ist diese Kombination nicht realisiert und es ergeben sich die üblichen acht Gluon-Wellenfunktionen zu:

(hier bedeutet beispielsweise die 1. Kombination, dass das Gluon mit einem grünen Quark reagieren kann und dessen Farbe in Rot ändert)

Die von den Gluonen vermittelte Anziehung zwischen den Quarks, und daraus folgend zwischen Protonen und Neutronen, ist für die Stabilität der Atomkerne verantwortlich. (Zusammenhalt der Protonen und Neutronen im Atomkern; gerade die Protonen würden sich ansonsten aufgrund ihrer gleichen elektrischen Ladung abstoßen).

Die Quantenchromodynamik (QCD) ist die heute akzeptierte Theorie zur Beschreibung der starken Wechselwirkung. In ihr vermitteln Gluonen-Kräfte zwischen Teilchen, die eine Farbladung tragen. Wenn zwischen zwei Quarks ein Gluon ausgetauscht wird, ändert sich die Farbladung der beteiligten Quarks. Das Gluon trägt dazu jeweils eine Antifarbladung zur Kompensation der ursprünglichen Farbladung des Quarks sowie die neue Farbladung des Quarks. Da das Gluon selbst auch eine Farbladung trägt, kann es mit anderen Gluonen wechselwirken. Diese so genannte Selbstwechselwirkung, das heißt die Wechselwirkung der die Wechselwirkung vermittelnden Teilchen miteinander, macht die mathematische Analyse der starken Wechselwirkung sehr kompliziert.

Erste experimentelle Hinweise auf die Existenz der Gluonen gewann man Anfang der 1980er, als man am DESY mit PETRA in Hamburg Ereignisse mit einer klaren Drei-Jet-Struktur fand. Den dritten Jet führte man auf die Abstrahlung eines Gluons durch eines der produzierten Quarks zurück.