Starke Wechselwirkung

Die starke Wechselwirkung (auch starke Kernkraft genannt) ist eine der vier Grundkräfte der Physik. Sie besitzt die paradoxe Eigenschaft, dass sie mit größer werdender Entfernung stärker wird. Sie ist unter anderem für den Zusammenhalt der Quarks und aller daraus zusammengesetzter Teilchen wie Nukleonen (Protonen und Neutronen) im Atomkern verantwortlich und wird in diesem Zusammenhang auch als Kernkraft bezeichnet. Sie ist deutlich stärker als die elektromagnetische Wechselwirkung und kann daher Atomkerne entgegen der gegenseitigen elektrischen Abstoßung der Protonen stabilisieren. Der starken Wechselwirkung unterliegen alle Hadronen, also Baryonen (darunter Proton und Neutron, die Bausteine der Atomkerne) und Mesonen.

Wie die elektromagnetische Wechselwirkung und die schwache Wechselwirkung wird auch sie durch den Austausch von Bosonen (Austauschteilchen) beschrieben. Diese Austauschteilchen werden im Falle der starken Wechselwirkung als Gluonen bezeichnet, von denen es acht Sorten (unterschiedliche Ladungszustände) gibt. Die Gluonen übertragen eine sogenannte Farbladung zwischen den Quarks. Ein Gluon kann dabei mit anderen Gluonen interagieren und Ladungen unterwegs austauschen.

In der Beschreibung der starken Wechselwirkung muss unterschieden werden zwischen der Wechselwirkung der Quarks selber und der effektiven Wechselwirkung der aus Quarks zusammengesetzten Teilchen.

Abhängigkeit vom Abstand der Teilchen

Die Wechselwirkung der Quarks ist asymptotisch frei und bewirkt das Confinement (deutsch Einschließung) der Quarks. Das heißt, dass sich das Verhalten bei kurzen Distanzen und großen Impulsen der freien Theorie annähert, während bei größeren Abständen die Kräfte zwischen den Quarks immer größer werden und bewirken, dass keine freien Quarks existieren.

Die starke Wechselwirkung zwischen zusammengesetzten Teilchen, die immer die Farbladung 0 haben, nimmt dagegen bei Vergrößerung der Abstände exponentiell ab, und kann phänomenologisch als Austausch von Mesonen beschrieben werden.

Entwicklung der theoretischen Beschreibung

Historisch wurde die geringe Reichweite der starken Wechselwirkung durch das Mesonen-Austauschmodell (Yukawa-Potential) erklärt. Hier wird in einer sogenannten effektiven Theorie der Zusammenhalt des Atomkerns auf den Austausch von Pionen zwischen den Protonen und Neutronen des Atomkerns zurückgeführt. Die Masse der Pionen bedingt dann die kurze Reichweite der Wechselwirkung von etwa 2,5·10^-15 m.

Erst die streng mathematische Beschreibung der starken Wechselwirkung mittels der Quantenchromodynamik, einer Quantenfeldtheorie, erlaubt ein Verständnis der zugrundeliegenden Wechselwirkungen zwischen Quarks und Gluonen.