Hadronen

Hadronen sind subatomare Teilchen, die aus Quarks bestehen und durch die starke Kernkraft zusammengehalten werden. Die beiden wichtigsten Vertreter sind das Proton aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark sowie das Neutron aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks. Gemeinsam bilden sie die Kerne aller Atome und damit den Großteil der sichtbaren Materie im Universum.

Man teilt die Hadronen in zwei große Familien ein. Baryonen bestehen aus drei Quarks, zu ihnen gehören Protonen und Neutronen. Mesonen bestehen aus einem Quark und einem Antiquark und sind meist sehr kurzlebig. Den Zusammenhalt besorgen in beiden Fällen die Gluonen, die Botenteilchen der starken Kraft. Am Large Hadron Collider des CERN, dem größten Teilchenbeschleuniger der Welt, werden Protonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit gebracht und frontal zur Kollision geführt, um neue Teilchen zu erzeugen. Dort gelang 2012 auch die Entdeckung des Higgs-Bosons.

In den letzten Jahren wiesen die Experimente erstmals exotische Hadronen nach, etwa Tetraquarks aus vier und Pentaquarks aus fünf Quarks, die das Standardbild erweitern. Presst man Materie auf extreme Dichte und Temperatur, lösen sich die Hadronen sogar auf und bilden ein Quark-Gluon-Plasma, jenen Urzustand, in dem sich das Universum in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall befand.

In der Science-Fiction stehen Hadronen im Hintergrund der dichtesten denkbaren Materieformen. Ein Quarkstern, in dem die Hadronen unter ungeheurem Druck in ihre Quark-Bestandteile zerquetscht würden, wäre noch kompakter als ein Neutronenstern und gehört zu den faszinierendsten hypothetischen Objekten der Hard-SF.

Das Proton selbst ist keine simple Drei-Quark-Kugel, sondern ein brodelnder Quantenzustand. Aus der Energie des Gluonenfeldes entstehen fortwährend virtuelle Quark-Antiquark-Paare, die kurz auftauchen und wieder verschwinden. Diese Seequarks tragen zum Spin und zur Masse des Protons bei, auf eine Weise, die Physiker erst in den letzten Jahrzehnten zu verstehen beginnen. Die sogenannte Proton-Spin-Krise, entdeckt Ende der 1980er Jahre, ergab, dass die drei Valenzquarks nur einen kleinen Teil des Proton-Spins ausmachen. Der Rest verteilt sich auf Gluonen und Seequarks. Das Innere des Protons ist komplexer als das Innere eines Sterns.

Das CERN plant nach dem LHC den Future Circular Collider (FCC), der einen Umfang von 91 Kilometern haben soll und Energien von bis zu 100 TeV erreichen würde, das Zehnfache des LHC. Mit dieser Energie liessen sich Hadronen so heftig zusammenstossen, dass neue Teilchen entstehen könnten, die das Standardmodell erweitern oder widerlegen. Greg Egans Schwestern-Universen und die Teilchenphysik in Diaspora stützen sich auf Hadronen-Physik als Grundlage für Überlegungen, was Materie unter extremen Bedingungen tut.