Hadron

Je nach ihrer Quark-Zusammensetzung werden Hadronen in Mesonen bestehend aus einem Quark und einem Antiquark, dem Antiteilchen eines Quarks, und Baryonen aus drei Quarks bzw. drei Antiquarks bei Antibaryonen unterteilt. Beispiele für die Baryonen sind Neutron und Antiproton, für die Mesonen das Pi-Meson.

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Da Quarks den Spin 1/2 haben, sind Baryonen ebenfalls Fermionen mit halbzahligem Spin, Mesonen dagegen Bosonen mit ganzzahligem Spin.

Hadronen sind meist sphärisch und haben einen Radius von ca. 10^-13 cm.

Alle Hadronen sind instabil, außer dem Proton, bei dem noch keine Zerfälle nachgewiesen wurden. Die Zerfälle der Hadronen können über die starke, die schwache oder die elektromagnetische Wechselwirkung stattfinden. Beispielsweise zerfällt das neutrale Pion über die elektromagnetische Wechselwirkung in zwei Photonen.

Die Übergänge zwischen Quarks verschiedener Flavour-Quantenzahlen (up, down, strange, sowie die sehr viel schwereren charm, bottom, top) werden durch die schwache Wechselwirkung bewirkt, die somit auch Übergänge zwischen verschiedenen Hadronen ermöglicht. Da sie durch den Austausch schwerer W-Bosonen erzeugt wird, sind diese Zerfälle relativ langsam. Neutronen zerfallen z. B. unter Abgabe eines Elektrons und Neutrinos in Protonen (Betazerfall), und ihre Gesamtzahl ist in Kernen nur stabil, da dort meist mit einem Zerfall zugleich auch der umgekehrte Prozess eintritt, also ein Neutron aus einem Proton aufgebaut wird. Es gibt natürlich auch "instabile" Kerne, wobei das Wort "instabil" relativ ist, da deren Lebensdauer entscheidend von der Art des Zerfalls abhängt (Betazerfall über schwache Wechselwirkung, Alphazerfall über den Tunneleffekt usw.).

Die starke Wechselwirkung wird auf "fundamentaler Ebene" durch die Quantenchromodynamik als Austausch von Gluonen beschrieben, oder wie heute noch in der Kernphysik überwiegend üblich auf der phänomenologischen Ebene durch den Austausch von Mesonen, vor allem den leichten Pionen. Quark-Flavours werden durch die starke Wechselwirkung nicht verändert, es können aber z. B. über Mesonen Quarks zwischen Baryonen ausgetauscht werden.

In der Hochenergiephysik sieht man bei Streuexperimenten nicht nur Quarks, sondern auch Gluonen. Man stellt sich den Aufbau eines Hadrons deshalb so vor, dass außer den "Grundbausteinen" eines Hadrons, den so genannten Valenzquarks, die seine Quantenzahlen definieren, noch Gluonen und eine Wolke virtueller Quark-Antiquark-Paare vorhanden sind. "Virtuell" heißt, dass nach der Quantenfeldtheorie aus dem Vakuum ständig solche Paare von Teilchen und Anti-Teilchen erzeugt und gleich wieder vernichtet werden. Diese sogenannten See-Quarks tragen z. B. beim Pion den größten Teil zur Gesamtmasse des Hadrons bei. Allgemein rührt bei Hadronen aus leichten Quarks (up, down) die Masse zum größten Teil nicht von den Valenzquarks her.

Einen Teil des umfangreichen Hadronenzoos nehmen extrem kurzlebige Anregungszustände, die "Resonanzen", ein, die bei inelastischen Streuexperimenten beobachtet werden. Hadronen können theoretisch beliebig schwer werden (wenn man den Massebereich, in dem die Gravitation wichtig wird, einmal beiseite lässt). Je schwerer sie werden, desto kurzlebiger sind sie im Allgemeinen aber.

Diskutiert werden auch die Existenz exotischer Hadronen wie den bisher rein hypothetischen Pentaquarks, welche aus vier Quarks und einem Antiquark bestünden und dementsprechend Baryonen wären, und ganz neue Materiezustände wie das Quark-Gluon-Plasma, für das es erste Hinweise in Kollisionsexperimenten mit schweren Ionen gibt.

Weiterführende Literatur

• Harald Fritzsch: Elementarteilchen. Bausteine der Materie, C.H.Beck Verlag, München, 2004
• Kenneth S. Krane Introductory Nuclear Physics, Wiley & Sons Inc., 1998
• Frauenfelder, Henley: Teilchen und Kerne, Oldenbourg, 4. Auflage 1999, ISBN 3-486-24417-5
• Povh, Rith, Scholz, Zetsche: Teilchen und Kerne, Springer, 6. Auflage 2004
• Theo Mayer-Kuckuk: Kernphysik, Teubner Verlag, 7. Auflage 2002
• Lohrmann: Hochenergiephysik, Teubner Verlag