Techniklexikon

Quantenchromodynamik

Teilchenphysik, QCD, die Eichtheorie der starken Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen; sie ist eine der Komponenten des Standardmodells der Elementarteilchen. Für die Kopplung zwischen Quarks und Gluonen ist ihre Farbladung verantwortlich. Jedes der sechs Quarks (Flavor) des Standardmodells kommt in drei Farben (r, g, b) und Gluonen in acht Farbkombinationen vor; die aus Quarks, Antiquarks und Gluonen zusammengesetzten Hadronen bilden Farbsinguletts. Die Farbhypothese geht auf das Quarkmodell und seine SU(3)-Klassifizierung der Hadronen (achtfacher Weg) zurück, weil durch die zusätzliche Quantenzahl Farbe die Existenz beispielsweise des aus drei s-Quarks mit gleich ausgerichteten Spins gebildeten W^--Hadrons nicht länger aufgrund des Pauli-Prinzips verboten war. Die Hypothese wurde durch die beobachteten Zerfallsraten für den Zerfall des Pions in zwei Photonen und die e⁺e^--Vernichtung in Hadronen, die nur mit drei verschiedenen Quarktypen für jedes Flavor erklärbar waren, bestätigt. Ein weiterer wichtiger Schritt auf dem Weg zur QCD waren die Experimente zur tiefinelastischen Elektron-Nukleon-Streuung in den siebziger Jahren in Stanford, denn das dort in den Wirkungsquerschnitten beobachtete Skalenverhalten (Bjørken-Scaling) legte eine Interpretation im Sinne einer Streuung der Elektronen an punktförmigen Objekten, analog zur Quantenelektrodynamik, nahe (Partonmodell).

Die Lagrange-Dichte der QCD hat die Form

wobei  die starke Kopplungskonstante und die  die Strukturkonstanten der SU(3)-Algebra sind. Jedes Quarkfeld mit Farbe i und Flavor q wird durch ein vierkomponentiges Dirac-Feld  beschrieben, und die  sind die acht Gluonfelder. Aus dieser Lagrange-Dichte lassen sich alle Feynman-Regeln der QCD ableiten.

Das Prinzip der asymptotischen Freiheit besagt, dass die Kopplung der QCD nur bei hohen Energien klein ist, d.h. nur in diesem Bereich können Präzisiontests der störungstheoretischen Vorhersagen erfolgen. Trotzdem konnten auch im niederenergetischen, nicht-störungstheoretischen Bereich in den letzten Jahren das Verständnis und die quantitative Überprüfung der QCD beträchtlich vorangebracht werden (Gittereichtheorie, chirale Störungstheorie, QCD-Summenregeln).

Zu den Präzisionstests der QCD gehören neben den tiefinelastischen Streuexperimenten die direkte Beobachtung von Gluoneffekten, die erstmals in Elektron-Positron-Stössen im e⁺e^--Kollider PETRA am DESY (Hamburg) gelang. Die Kollision der beiden Teilchen erzeugt ein virtuelles Photon, das anschliessend in ein Lepton- oder Quarkpaar zerfällt. Die farbtragenden Quarks können die Wechselwirkungsregion nicht als freie Teilchen verlassen; vielmehr erzeugen sie weitere Quark-Antiquark-Paare, die sich zu farblosen Hadronen formieren, die in Richtung des ursprünglichen Quarkimpulses davonfliegen: man beobachtet zwei sog. Hadron-Jets. Manchmal treten aber auch drei Jets auf, wobei der dritte aus einer Gluonabstrahlung eines Quarks hervorgeht.

Die Impulsabhängigkeit der Kopplungskonstanten der QCD konnte in zahlreichen Experimenten sehr genau bestimmt werden; sie zeigt das von der asymptotischen Freiheit vorhergesagte logarithmische Verhalten. Experimente mit hochenergetischen Proton-Antiproton-Stössen, bei denen es zur direkten Streuung der Konstituenten (Quarks und Gluonen) kommt, belegten den Austausch eines Spin 1-Teilchens als fundamentalen Wechselwirkungsprozess und demonstrierten ausserdem, dass auf einer Skala bis zu 10^-19 m keine Quark-Substruktur zu erkennen ist.

Zum Studium der nichtperturbativen QCD wurden zahlreiche Techniken entwickelt. Am geeignesten sind Prozesse, in die eine grosse Masse oder Energie involviert ist, z.B. Zerfälle von Mesonen mit einem schweren Quark (c oder b), für die das schwere Quark nicht-relativistisch behandelt werden kann. Ereignisse in ep-Kollisionen, bei denen im Endzustand ein intaktes Proton auftritt, wurden als elastische bzw. quasielastische Streuungen an (in Anknüpfung an die ältere Regge-Theorie) zunächst als Pomeronen bezeichneten Zustände gedeutet; heute vermutet man dahinter farblose Verbindungen farbtragender Gluonen.