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Rettung aus der „Spin-Krise“

Tübinger Physiker entdeckten Ursache für den Protonen-Drehimpuls

Der Drehimpuls des Protons, eines Teilchens im Atomkern, ist von großer Bedeutung für die moderne Medizin-Diagnostik: Er ist die Grundlage der Kernspin-Tomografie. Tübinger Physiker sind nun der Antwort auf die Frage, wie er entsteht, einen entscheidenden Schritt näher gekommen.

06.08.2014
  • upf

Tübingen. Protonen und Neutronen sind Bausteine aller Atomkerne. Sie setzen sich wiederum aus kleineren Teilchen zusammen: jeweils drei Quarks, die keine eigene innere Struktur aufweisen und durch sogenannte Gluonen aneinander gebunden werden. Lange nahmen Physiker an, dass der Drehimpuls oder „Spin“ des Protons in erster Linie von den Quarks verursacht wird. Bis ein Experiment an der Großforschungseinrichtung CERN im Schweizer Kanton Genf die Zunft der Teilchenphysiker 1987 in eine „Spin-Krise“ stürzte: Denn es stellte sich heraus, dass die Drehung des Protons nur zu einem kleinen Teil durch die Spins der Quarks entsteht.

Marco Stratmann und Prof. Werner Vogelsang vom Institut für Theoretische Physik der Uni Tübingen haben nun zusammen mit argentinischen Kollegen der Universität Buenos Aires herausgefunden: Es sind die Gluonen. Sie stützten sich bei ihren Untersuchungen auf neue experimentelle Daten des Teilchenbeschleunigers RHIC in den USA, in dem Protonen zur Kollision gebracht werden.

Ein Phänomen der Quantenmechanik

Gluonen sind die Träger der starken Kraft, einer der vier fundamentalen Wechselwirkungen in der Natur. Sie tragen maßgeblich zu diesen Kollisionen bei. In umfangreichen computergestützten Studien bestimmten die Wissenschaftler die Spin-Verteilung von Gluonen im Proton.

Anders als ein Kreisel wird das Proton nicht von außern angestoßen und in Rotation versetzt. Vielmehr handelt es sich bei dem Drehimpuls um ein rein quantenmechanisches Phänomen: Er wohnt den etomaren und subatomaren Teilchen in der Natur als Eigenschaft inne und ist ebenso fundamental wie die Masse oder die elektrische Ladung eines Teilchens.

In ihrer Studie, die kürzlich in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht wurde, zeigen die Wissenschaftler nun, dass die Gluonen möglicherweise den bislang unerklärten Rest des Protonen-Spins tragen. „Auch wenn noch weitere Daten und Analysen notwendig sein werden, um den Ursprung des Spins detailliert zu verstehen,“ sagt Marco Stratmann, „ist dieses neue Ergebnis ein wichtiger Fortschritt.“

Abgesehen von ein paar experimentellen und theoretischen Unsicherheiten, die noch verringert werden können, ist nach mehr als 25 Jahren eine Lösung der Spin-Krise in Sicht. „Wir können das Proton, das so fundamental wichtig für den Aufbau aller Materie ist, wieder etwas besser verstehen“, sagt Stratmann.

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06.08.2014, 12:00 Uhr

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