Welche Kräfte wirken im Inneren eines Protons? Physiker erstellen eine genaue Karte dieses subatomaren Teilchens

Die fundamentalen Wechselwirkungen der Natur, auch bekannt als fundamentale Kräfte, sind 4 Wechselwirkungen, die das Verhalten der Materie bestimmen. Die 4 Wechselwirkungen sind die Gravitationskraft, die elektromagnetische Kraft, die starke Kernkraft und die schwache Kernkraft.

Jede dieser Kräfte hat einen Bereich auf einer bestimmten Skala und spielt eine Rolle bei physikalischen Prozessen, die von der Bildung von Galaxien bis zu atomaren Phänomenen reichen.

Im Atom sind die wichtigsten Wechselwirkungen die elektromagnetische Wechselwirkung, die starke Kernwechselwirkung und die schwache Kernwechselwirkung. Während die elektromagnetische Wechselwirkung die Elektronen um den Kern herum hält , ist die starke Wechselwirkung dafür verantwortlich, dass Protonen und Neutronen im Kern zusammenbleiben. Da Protonen sich gegenseitig abstoßen sollten, ist es die starke Kernkraft, die diese Abstoßung überwindet und den Kern stabil macht.

Eine neue Studie der Universität von Adelaide zeigt, wie die starke Wechselwirkung auf ein Proton wirkt. Mithilfe von Simulationen, die auf einer Technik namens Gitterquantenchromodynamik basieren, konnten die Forscher kartieren, wie die starke Kraft im Inneren des Protons verteilt ist. Dies ist das erste Mal, dass eine detaillierte Karte der starken Wechselwirkung erstellt wurde.

Der Kern des Atoms

Ein Atom setzt sich aus Teilchen wie Elektronen, Protonen und Neutronen zusammen. Während die Elektronen den Kern umkreisen, besteht der Atomkern aus Protonen und Neutronen. Sowohl Protonen als auch Neutronen bestehen aus noch kleineren Teilchen, den Quarks. Sie bestehen aus jeweils drei Quarks, wobei sich nur das Quark, das das Trio bildet, ändert.

Quarks wechselwirken mit Protonen und Neutronen aufgrund der starken Wechselwirkung, die durch das Gluon vermittelt wird. Mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern wie dem LHC können das Innere des Atoms und sogar die Verteilung der Protonen untersucht werden. Selbst detaillierte Informationen über Quarks können durch Experimente in Beschleunigern gewonnen werden, die die Wechselwirkungen abbilden.

Starke Interaktion

Eine der in diesen Beschleunigern untersuchten Wechselwirkungen ist die starke Wechselwirkung, die die Quarks im Inneren von Protonen und Neutronen zusammenhält. Diese starke Wechselwirkung hält auch den Kern stabil, indem sie die Abstoßung durch die elektromagnetische Wechselwirkung überwindet. Die Wechselwirkung wird durch Gluonen vermittelt, die die so genannte Farbladung tragen und mit Quarks wechselwirken.

Interessanterweise wird die starke Wechselwirkung umso stärker, je weiter die Quarks voneinander entfernt sind. Das ist so ähnlich, wie wenn man an einem Gummiband zieht: Je stärker man zieht, desto mehr Widerstand gibt es. Diese Eigenschaft der starken Wechselwirkung hindert die Quarks daran, sich einzeln zu trennen, was als Quarkeinschluss bezeichnet wird. Die starke Wechselwirkung ist auch für die Freisetzung von Energie in Kernreaktionen verantwortlich.

Beobachtung des Protons

In einer kürzlich in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlichten Arbeit haben Physiker eine Rechentechnik namens Netzwerk-Quantenchromodynamik verwendet, um die Wechselwirkungen im Inneren des Protons abzubilden. Diese Technik ermöglicht es, die starke Wechselwirkung zu simulieren und zu verstehen, insbesondere wie sie intern verteilt ist.

Die Gitterquantenchromodynamik ist eine Technik, die Raum und Zeit in ein feines Gitter unterteilt. Damit lässt sich analysieren, wie sich die starke Kernkraft in verschiedenen Regionen des Protons verändert. Damit lässt sich die innere Struktur subatomarer Teilchen, insbesondere von Neutronen, Protonen und ihren Bestandteilen, den Quarks, untersuchen.

Die Kraft von 10 Elefanten in 1 Atom!

In dieser Arbeit gelang es den Forschern, die Intensität der starken Wechselwirkung auf subatomarer Skala zu kartieren. Sie stellten fest, dass die Intensität im Inneren des Protons extrem hoch ist und Werte von einer halben Million Newton erreicht. Den Forschern zufolge entspricht diese Intensität der Masse von 10 Elefanten, die auf einen Raum komprimiert sind, der kleiner als ein Atomkern ist.

Die Karte ist die detaillierteste, die je erstellt wurde. Die Idee ist, die Karte der inneren Kräfte der Atome zu nutzen, um die Dynamik des Atomkerns zu verstehen. Vor allem, um zu untersuchen, wie sich diese Teilchen verhalten und wie sie in verschiedenen Bereichen, z. B. in der Medizin, eingesetzt werden können.

Quellenhinweis:

Crawford et al. 2025 Transverse Force Distributions in the Proton from Lattice QCD Physical Review Letters