Da sich gleiche elektrische Ladungen stark abstoßen, ist es zunächst erstaunlich, dass Atomkerne stabil sind. Schließlich sind dort viele positiv geladene Protonen auf engem Raum versammelt. Warum fliegen die Protonen also nicht einfach mit großer Kraft auseinander?
Die Antwort hierauf ist, dass es noch eine weitere, deutlich stärkere Kraft gibt. Diese Kraft heißt starke Kernkraft oder starke Wechselwirkung. Sie wirkt offenbar nur innerhalb der Atomkerne, also unter den Nukleonen. Auf Leptonen, wie zum Beispiel das Elektron, hat die starke Kernkraft keinen Einfluss. Aus dem Umstand, dass die Atomkerne benachbarter Atome sich nicht gegenseitig anziehen, kann man außerdem schließen, dass die starke Kernkraft eine geringe Reichweite hat. Nur unmittelbar benachbarte Protonen und Neutronen ziehen einander an.
Genauer gesagt beeinflusst die starke Kernkraft nur Quarks und Teilchen, die aus Quarks aufgebaut sind. Diese Teilchen lassen sich aufteilen in Mesonen, die aus je einem Quark und einem Antiquark bestehen, und Baryonen und Antibaryonen, die aus drei Quarks bzw. Antiquarks bestehen. All diese Teilchen werden auch unter dem Begriff Hadronen zusammengefasst.
Die starke Wechselwirkung kennt nicht, wie die elektromagnetische Kraft, nur eine Ladung, es gibt drei Ladungen. Diese drei Ladungen werden oft nach den Grundfarben eines Monitors "rot", "grün" und "blau" genannt. Zudem gibt es auch die negativen Ladungen hierzu, die man "anti-rot", "anti-grün" und "anti-blau" nennt. Jedes Quark trägt eine Farbladung, jedes Antiquark trägt eine Anti-Farbladung. Man sollte jedoch den Begriff Farbladung nicht zu wörtlich nehmen, mit wirklichen Farben haben die Farbladungen nichts zu tun.
Zwischen den farbgeladenen Quarks wirkt die starke Kraft so, dass sich sehr feste Verbindungen zwischen einer Farbladung und einer Antifarbladung ergeben. So kann man die Stabilität von Mesonen erklären, gegenteilige Farbladungen zieheneinander an, so wie positiv und negativ elektrisch geladene Teilchen einander anziehen.
Es gibt jedoch eine weitere wichtige Regel in der starken Kernkraft: Drei Quarks, von denen jedes eine andere der drei Farbladungen hat, bilden einen gebundenen Zustand, den man Baryon nennt. Für diese "farbneutralen" Zustände sind das Proton und das Neutron die bekanntesten Beispiele.
Mesonen und Baryonen sind so stark gebundene Objekte, dass nach außen kaum noch etwas von ihren Farbladungen zu bemerken ist. In diesem Sinne ähneln sie einem Atom, das ja auch nach außen elektrisch neutral (also ungeladen) erscheint. Bringt man jedoch zwei Baryonen dicht zusammen, so ist eine Restwechselwirkung zu spüren, die in etwa der Van-der-Waals-Kraft im Atom entspricht. Diese Kraft ist viel schwächer als die direkte starke Kernkraft aber immer noch stärker als die elektrische Abstoßung zwischen Protonen. So kann die starke Kernkraft den Zusammenhalt der Protonen und Neutronen im Atomkern erklären.
Die starke Kernkraft zwischen Quarks hat eine unendliche Reichweite. Da sie aber innerhalb der Hadronen bereits abgesättigt ist, ist die Anziehung der Hadronen untereinander nur für kleine Abstände spürbar und nimmt mit großem Abstand sehr schnell ab. Im Atomkern ziehen sich nur direkt benachbarte Nukleonen gegenseitig an.
Die starke Wechselwirkung wird oft mit dem Austausch von Energiepaketen oder -quanten, die man Gluonen nennt, erklärt. So wie man eine kurze elektrische Kraft durch einen Photonenaustausch beschreibt, so tauschen die Quarks Gluonen miteinander aus. Gluonen tragen aber in Gegensatz zu den Photonen selber Farbladungen. Und zwar je eine Farbladung und eine Antifarbladung. Es gibt also verschiedene Arten von Gluonen mit verschiedenen Ladungszuständen (zum Beispiel ein grün-antirot-Gluon, oder auch ein blau-antiblau-Gluon). Das bedeutet aber, dass Gluonen selbst mit der starken Kraft wechselwirken, also auch untereinander Gluonen austauschen. Außerdem sind sie so energiereich, dass sie spontan in ein Quark-Antiquark-Paar zerfallen können. Der Gluonenaustausch bildet also ein kompliziertes Gewebe von Gluonen, Quarks und Antiquarks. Dies macht die starke Kernkraft schwer zu berechnen.
Glücklicherweise ist die Restwechselwirkung zwischen Nukleonen viel einfacher. Diese Wechselwirkung kann durch den Austausch von Pi-Mesonen beschrieben werden.
Die starke Wechselwirkung ist, wie schwache Wechselwirkung und elektrische Kraft, in der Lage Paare von Teilchen und Antiteilchen zu erzeugen. Versucht man etwa ein Proton in seine Bestandteile, die Quarks, zu zerlegen, so entstehen neue Quark-Antiquark-Paare sobald hierfür genügend Energie zur Verfügung steht. Diese Paarerzeugung ist ein Grund dafür, dass Quarks niemals ungebunden vorkommen.
Im Gegensatz zur schwachen Wechselwirkung kann die starke Wechselwirkung nur Quark-Antiquark- aber keine Leptonen-Antileptonen-Paare erzeugen. Außerdem kann unter der starken Kernkraft kein Quark seine Gruppe wechseln. Ein K-Meson kann zum Beispiel nicht über die starke Kernkraft zerfallen, da das enthaltene Strange-Quark nicht einfach zu einem leichteren Quark werden kann. Solch eine Umwandlung ist nur der schwachen Kernkraft möglich.
Schießt man in einem Teilchenbeschleuniger Protonen aufeinander, so entstehen ganze Bündel von neuen Teilchen und Antiteilchen (Jets genannt). Die genaue Untersuchung solcher Jets gibt Aufschluss über den Charakter der starken Wechselwirkung und der beteiligten Teilchen.
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Letzte Änderung: 10.03.2014