Gluonen

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Physikalischer Kontext

Gluonen sind die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung und Bestandteil des Standardmodells. Die starke Wechselwirkung ist an die Farbladung gebunden. Jedes frei beobachtbare Teilchen ist farbneutral. Im Gegensatz zu beobachtbaren Teilchen sind Gluonen selbst nicht farbneutral und wechselwirken daher miteinander. Sie können Gluonen-Schläuche und Gluonen-Bälle bilden.

Farbladungen

Farbladungen

Die Ladung der starken Wechselwirkung wird in Analogie zur Eigenschaft der Lichtfarben Farbladung genannt. Die Lichtfarben rot, grün und blau ergeben gemeinsam weisses und damit farbloses Licht. Analog können sich die Farbladungen rot, grün und blau gemeinsam neutralisieren. Zu jeder Farbe gibt es die zugehörige Antifarbe, d.h. antirot, antigrün und antiblau (manchmal auch cyan, magnet und gelb genannt und oft durch diese Farben symbolisiert). Auch diese können sich gemeinsam neutralisieren. Zusätzlich neutralisieren sich jeweils eine Farbe und ihre Antifarbe, also z.B. rot und antirot. Teilchen mit Farbladung sind also nicht im anschaulichen Sinne farbig! Vielmehr bezeichnet man als Farbladung eine innere Eigenschaft der Teilchen, die sich ähnlich wie Lichtfarben verhält.

Welche Gluonen gibt es?

Die acht Gluonen des Standardmodells

Es gibt acht Gluonen (sechs farbige und zwei farblose), weil nur acht linear unabhängige Kombinationen der Gluonen-Wellenfunktionen möglich sind. In erster intuitiver Vorstellung würde man neun Gluonen erwarten (die sechs farbigen und drei farblose). Folgende Analogie verdeutlicht, warum es nur acht sind: Man stelle sich ein Flugzeug vor mit Rumpf und Tragflächen. Die Nase des Flugzeugs kann sich heben und senken oder nach links oder rechts schwenken und es kann sich um seine Längsachse nach links oder rechts verdrehen. Das entspricht den sechs farbigen Gluonen. Zusätzlich kann man noch seine Lage relativ zu einem anderen Flugzeug angeben, indem man den Winkel der Rumpfe zueinander und den Winkel der Tragflächen zueinander angibt. Das entspricht den beiden farblosen Gluonen. Ein dritter Winkel, der von diesen beiden Winkel unabhängig ist, existiert nicht, jeder andere Winkel kann durch diese beiden ausgedrückt werden. Analog ist es bei den Gluonen.

Farbwechsel durch Gluonenaustausch

Farbwechsel zweier Quarks durch Austausch eines farbigen Gluons
Der Austausch eines farbigen Gluons zwischen zwei Quarks vertauscht deren Farben miteinander. Das ausgesendete Gluon nimmt die Farbe des aussendenden Quarks und eine der dazu gehörenden möglichen zwei Antifarben mit. Das aussendende Quark erhält als neue Farbe die der Gluon-Antifarbe. Das aufnehmende Quark erhält die Farbe des Gluons und verliert die Farbe der Gluon-Antifarbe. Auch während eines Gluonenaustausches bleibt das Teilchen, in dem der Prozess stattfindet, stets farbneutral. Denn das Gluon selbst trägt ja selbst Farben!
Beispiel: Ein rotes und ein grünes Quar wechslewirken durch den Austausch eines rot/antigrünen Gluons miteinander: Das rote Quark sendet ein rot/antigrünes Gluon aus. Dadurch wechselt es von rot zu grün. Das empfangende grüne Quark wechselt von grün zu rot.