Die Stärke der starken Kraft

Als dieses schwer fassbare Teilchen 2012 entdeckt wurde, wurde viel Aufhebens um das Higgs-Boson gemacht. Obwohl es angepriesen wurde, gewöhnliche Materiemasse zu liefern, erzeugen Wechselwirkungen mit dem Higgs-Feld nur etwa 1 Prozent der gewöhnlichen Masse. Die anderen 99 Prozent stammen von Phänomenen, die mit der starken Kraft verbunden sind, der fundamentalen Kraft, die kleinere Teilchen, die Quarks genannt werden, in größere Teilchen, die Protonen und Neutronen, die den Kern der Atome gewöhnlicher Materie bilden, bindet.

Jetzt haben Forscher der Thomas Jefferson National Accelerator Facility des US-Energieministeriums experimentell die Stärke der starken Kraft extrahiert, eine Größe, die Theorien stützt, die erklären, wie der größte Teil der Masse oder gewöhnlicher Materie im Universum erzeugt wird.

Diese als Kopplung der starken Kraft bezeichnete Größe beschreibt, wie stark zwei Körper unter dieser Kraft wechselwirken bzw. „koppeln“. Eine starke Kraftkopplung variiert mit dem Abstand zwischen den von der Kraft betroffenen Teilchen. Vor dieser Forschung waren sich die Theorien darüber uneinig, wie stark sich die Kraftkopplung in großer Entfernung verhalten sollte: Einige sagten voraus, dass sie mit der Entfernung zunehmen sollte, andere, dass sie abnehmen und andere, dass sie konstant werden sollte.

Mit Daten aus dem Jefferson Lab konnten die Physiker die starke Kraftkopplung in den bisher größten Entfernungen bestimmen. Ihre Ergebnisse, die experimentelle Unterstützung für theoretische Vorhersagen bieten, wurden kürzlich auf dem Titelblatt der Zeitschrift veröffentlicht Partikel.

„Wir sind glücklich und aufgeregt, dass unsere Bemühungen anerkannt werden“, sagte Jian-Ping Chen, leitender Wissenschaftler am Jefferson Lab und Mitautor der Veröffentlichung.

Obwohl dieses Papier der Höhepunkt jahrelanger Datensammlung und -analyse ist, war es zunächst nicht ganz beabsichtigt.

Ein Spin-Off eines Spin-Experiments

Bei kleineren Abständen zwischen Quarks ist die starke Kraftkopplung klein, und Physiker können sie mit einem iterativen Standardverfahren lösen. Bei größeren Abständen wird die starke Kraftkopplung jedoch so groß, dass das iterative Verfahren nicht mehr funktioniert.

„Dies ist sowohl ein Fluch als auch ein Segen“, sagte Alexandre Deur, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Jefferson Lab und Mitautor der Studie. „Während wir kompliziertere Techniken anwenden müssen, um diese Menge zu berechnen, setzt ihr bloßer Wert eine Vielzahl sehr wichtiger neu auftretender Phänomene frei.“

Dazu gehört ein Mechanismus, der 99 Prozent der gewöhnlichen Masse im Universum ausmacht. (Aber dazu kommen wir gleich noch.)

Trotz der Herausforderung, die iterative Methode nicht anwenden zu können, extrahierten Deur, Chen und ihre Co-Autoren eine starke Kraftkopplung bei den größten Abständen zwischen betroffenen Körpern, die es je gab.

Sie extrahierten diesen Wert aus einer Handvoll Jefferson Lab-Experimenten, die eigentlich dazu bestimmt waren, etwas völlig anderes zu untersuchen: Protonen- und Neutronenspin.

Diese Experimente wurden in der Continuous Electron Beam Accelerator Facility des Labors, einer DOE-Benutzereinrichtung, durchgeführt. CEBAF ist in der Lage, polarisierte Elektronenstrahlen bereitzustellen, die in den Experimentierhallen auf spezialisierte Targets gerichtet werden können, die polarisierte Protonen und Neutronen enthalten. Wenn ein Elektronenstrahl polarisiert ist, bedeutet das, dass sich die meisten Elektronen alle in die gleiche Richtung drehen.

Diese Experimente schossen den polarisierten Elektronenstrahl von Jefferson Lab auf polarisierte Protonen- oder Neutronenziele. Während der anschließenden mehrjährigen Datenanalyse stellten die Forscher fest, dass sie die über das Proton und das Neutron gesammelten Informationen kombinieren konnten, um eine starke Kraftkopplung bei größeren Entfernungen zu extrahieren.

„Nur der leistungsstarke polarisierte Elektronenstrahl von Jefferson Lab in Kombination mit Entwicklungen bei polarisierten Targets und Detektionssystemen ermöglichte es uns, solche Daten zu erhalten“, sagte Chen.

Sie fanden heraus, dass mit zunehmendem Abstand zwischen den betroffenen Körpern die starke Kraftkopplung schnell zunimmt, bevor sie sich einpendelt und konstant wird.

„Es gibt einige Theorien, die vorhersagen, dass dies der Fall sein sollte, aber dies ist das erste Mal, dass wir dies experimentell tatsächlich gesehen haben“, sagte Chen. „Dies gibt uns Details darüber, wie die starke Kraft auf der Skala der Quarks, die Protonen und Neutronen bilden, tatsächlich funktioniert.“

Das Abflachen unterstützt massive Theorien

Diese Experimente wurden vor etwa 10 Jahren durchgeführt, als der Elektronenstrahl von Jefferson Lab in der Lage war, Elektronen mit einer Energie von bis zu 6 GeV bereitzustellen (er ist jetzt in der Lage, bis zu 12 GeV zu liefern). Der energieärmere Elektronenstrahl war erforderlich, um die starke Kraft bei diesen größeren Abständen zu untersuchen: Eine energieärmere Sonde ermöglicht den Zugang zu längeren Zeitskalen und damit zu größeren Abständen zwischen betroffenen Teilchen.

In ähnlicher Weise ist eine Sonde mit höherer Energie für das Heranzoomen für Ansichten von kürzeren Zeitskalen und kleineren Abständen zwischen Partikeln unerlässlich. Labors mit höherenergetischen Strahlen wie CERN, Fermi National Accelerator Laboratory und SLAC National Accelerator Laboratory haben bereits eine starke Kraftkopplung auf diesen kleineren Raum-Zeit-Skalen untersucht, wenn dieser Wert relativ klein ist.

Die vergrößerte Ansicht, die von Strahlen höherer Energie geboten wird, hat gezeigt, dass die Masse eines Quarks klein ist, nur wenige MeV. Zumindest ist das ihre Lehrbuchmasse. Aber wenn Quarks mit niedrigerer Energie untersucht werden, wächst ihre Masse effektiv auf 300 MeV.

Dies liegt daran, dass die Quarks eine Wolke aus Gluonen sammeln, dem Teilchen, das die starke Kraft trägt, wenn sie sich über größere Entfernungen bewegen. Der masseerzeugende Effekt dieser Wolke macht den größten Teil der Masse im Universum aus – ohne diese zusätzliche Masse kann die Lehrbuchmasse von Quarks nur etwa 1 % der Masse von Protonen und Neutronen ausmachen. Die anderen 99 % stammen aus dieser erworbenen Masse.

In ähnlicher Weise postuliert eine Theorie, dass Gluonen auf kurze Distanz masselos sind, aber effektiv Masse erwerben, wenn sie sich weiter bewegen. Die Nivellierung starker Kraftkopplung auf große Distanzen stützt diese Theorie.

„Wenn Gluonen auf große Entfernung masselos blieben, würde die starke Kraftkopplung unkontrolliert weiter wachsen“, sagte Deur. „Unsere Messungen zeigen, dass die starke Kraftkopplung konstant wird, wenn die untersuchte Entfernung größer wird, was ein Zeichen dafür ist, dass Gluonen Masse durch denselben Mechanismus erworben haben, der 99% der Masse an das Proton und das Neutron gibt.“

Das bedeutet, dass eine starke Kraftkopplung über große Entfernungen wichtig ist, um diesen Massenerzeugungsmechanismus zu verstehen. Diese Ergebnisse helfen auch dabei, neue Wege zur Lösung von Gleichungen für die Quantenchromodynamik (QCD), die akzeptierte Theorie, die die starke Kraft beschreibt, zu verifizieren.

Beispielsweise liefert die Abflachung der starken Kraftkopplung bei großen Entfernungen einen Beweis dafür, dass Physiker eine neue, hochmoderne Technik namens Anti-de-Sitter/Conformal Field Theory (AdS/CFT) Dualität anwenden können. Die AdS/CFT-Technik ermöglicht es Physikern, Gleichungen nicht iterativ zu lösen, was bei Berechnungen starker Kräfte bei großen Entfernungen hilfreich sein kann, wo iterative Methoden versagen.

Das Konforme in „Conformal Field Theory“ bedeutet, dass die Technik auf einer Theorie basiert, die sich auf allen Raumzeitskalen gleich verhält. Da die starke Kraftkopplung bei größeren Entfernungen abflacht, ist sie nicht mehr von der Raumzeitskala abhängig, was bedeutet, dass die starke Kraft konform ist und AdS/CFT angewendet werden kann. Während Theoretiker AdS/CFT bereits auf QCD angewendet haben, unterstützen diese Daten die Verwendung der Technik.

„AdS/CFT hat es uns ermöglicht, Probleme der QCD oder der Quantengravitation zu lösen, die bisher unlösbar waren oder mit nicht sehr strengen Modellen sehr grob angegangen wurden“, sagte Deur. „Das hat viele spannende Einblicke in die Grundlagenphysik gebracht.“

Obwohl diese Ergebnisse von Experimentatoren generiert wurden, beeinflussen sie Theoretiker am meisten.

„Ich glaube, dass diese Ergebnisse ein echter Durchbruch für die Weiterentwicklung der Quantenchromodynamik und der Hadronenphysik sind“, sagte Stanley Brodsky, emeritierter Professor am SLAC National Accelerator Laboratory und QCD-Theoretiker. „Ich gratuliere der Physik-Community des Jefferson Lab, insbesondere Dr. Alexandre Deur, zu diesem großen Fortschritt in der Physik.“

Jahre sind vergangen, seit die Experimente durchgeführt wurden, die zufällig diese Ergebnisse lieferten. Eine ganz neue Reihe von Experimenten nutzt jetzt den energiereicheren 12-GeV-Strahl von Jefferson Lab, um die Kernphysik zu erforschen.

„Eine Sache, über die ich mich bei all diesen älteren Experimenten sehr freue, ist, dass wir viele junge Studenten ausgebildet haben und sie nun zu Leitern zukünftiger Experimente geworden sind“, sagte Chen.

Nur die Zeit wird zeigen, welche Theorien diese neuen Experimente stützen.