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2025-02-11T16:26:01Z

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Die '''starke Wechselwirkung''' (auch '''starke Kraft''', '''Gluonenkraft''', '''Farbkraft''') ist eine der vier [[Fundamentale Wechselwirkung|Grundkräfte der Physik]]. Mit ihr wird die [[Gebundener Zustand|Bindung]] zwischen den [[Quark (Physik)|Quarks]] in den [[Hadron]]en erklärt. Ihre [[Austauschteilchen]] sind die [[Gluon]]en.

Vor der Einführung des Quark-Modells wurde als starke Wechselwirkung lediglich die Anziehungskraft zwischen den [[Nukleon]]en des [[Atomkern]]s bezeichnet, der [[Proton]]en und [[Neutron]]en. Auch heute noch ist mit der starken Wechselwirkung oft nur diese ''Restwechselwirkung'' gemeint, aus historischen Gründen auch '''Kernkraft''' oder '''starke Kernkraft''' genannt.

[[Datei:Gluon coupling.svg|mini|400px|[[Feynman-Diagramm]]e zu den fundamentalen Kopplungsmöglichkeiten der starken Wechselwirkung, '''a)''' Abstrahlung eines Gluons, '''b)''' Aufspaltung eines Gluons '''c) ,d)''' „Selbstkopplung“ der Gluonen.]]

== Bindung zwischen Quarks ==
[[Datei:Neutron QCD Animation.gif|miniatur|150px|Wechselwirkung innerhalb eines Neutrons (Beispiel). Die Gluonen sind dargestellt als Punkte mit der [[Farbladung]] im Zentrum und der Antifarbe am Rand.]]

Nach der [[Quantenchromodynamik]] (im Folgenden: QCD) wird die starke Wechselwirkung – wie die [[Elektromagnetische Wechselwirkung|elektromagnetische]] und die [[schwache Wechselwirkung]] – durch den Austausch von [[Eichboson]]en beschrieben. Die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung werden als [[Gluon]]en bezeichnet, von denen es acht Sorten (unterschiedliche [[Farbladung]]s<nowiki />zustände) gibt. Die Gluonen übertragen eine Farbladung zwischen den Quarks. Ein Gluon kann dabei mit anderen Gluonen interagieren und Farbladungen austauschen.

[[Datei:Strong Interaction Potential.svg|miniatur|Potential zwischen zwei Quarks in Abhängigkeit ihres Abstands. Zusätzlich sind die mittleren Radien verschiedener Quark-Antiquark-Zustände gekennzeichnet.]]
Die Anziehungskraft zwischen Quarks bleibt auch bei steigender Entfernung konstant, anders als z. B. bei der [[Coulombsches Gesetz|Coulombkraft]], bei der es mit steigendem Abstand immer leichter wird, zwei sich anziehende Teilchen zu trennen. Sie ist damit grob vergleichbar mit einem Gummiseil oder einer [[Zugfeder]]. Wird der Abstand zu groß, „reißt“ das Seil in dieser Analogie und es wird ein [[Meson]] gebildet durch Erzeugung eines Quark-Antiquark-Paares aus dem Vakuum. Bei kleinem Abstand können die Quarks wie [[Freies Teilchen|freie Teilchen]] betrachtet werden ([[asymptotische Freiheit]]). Mit größerem Abstand bewirkt die zunehmende Wechselwirkungsenergie, dass die Quarks den Charakter selbstständiger Teilchen verlieren, weswegen sie nicht als freie Teilchen beobachtet werden können ([[Confinement]]).

== Bindung zwischen Nukleonen ==
Obwohl Nukleonen immer die Farbladung null haben, gibt es zwischen ihnen eine ''Restwechselwirkung'' oder ''Kernkraft'' (entfernt vergleichbar den [[Van-der-Waals-Kräfte]]n, die man als elektromagnetische Restwechselwirkungen zwischen elektrisch neutralen [[Atom]]en und/oder [[Molekül]]en ansehen kann).

Die Reichweite der Anziehung durch die Restwechselwirkung liegt bei etwa 2,5 [[Femtometer]]n (fm). Bei diesem Wert des Abstands <math>r</math> ist sie vergleichbar stark wie die elektrische Abstoßung ([[Coulombsches Gesetz|Coulombkraft]]) zwischen den Protonen und bei kürzeren Abständen ist sie stärker als die Coulombkraft. Oberhalb dieses Abstandes dagegen nimmt die Anziehung schneller ab als die Coulombkraft, die proportional zu <math>1/r^2</math> sinkt. Dieses Zusammenspiel der beiden Grundkräfte erklärt den Zusammenhalt und die Größenordnung der Atomkerne, aber z. B. auch die [[Kernspaltung|Spaltung schwerer Kerne]].

Auf sehr kurze Abstände wirkt die Kernkraft abstoßend, entsprechend einem harten Kern (Hard Core) von 0,4 bis 0,5 fm. Außerdem ist sie Spin-abhängig: sie ist stärker bei parallelen Spins als bei antiparallelen, so dass das [[Deuteron]] (bestehend aus einem Neutron und einem Proton) nur für parallele Spins (Gesamtspin 1) gebunden ist, und [[Diproton]] und [[Dineutron]] (mit antiparallelen Spins aufgrund des [[Pauli-Prinzip]]s) nicht gebunden sind. Neben dem Zentralpotential-Anteil und dem Spin-Spin-Wechselwirkungsanteil hat sie auch einen Tensoranteil und einen Spin-Bahn-Anteil.

Vor der Einführung des Quark-Modells wurden die Restwechselwirkung und ihre geringe Reichweite mit einer [[Effektive Theorie|effektiven Theorie]] erklärt: durch eine [[Yukawa-Wechselwirkung]] zwischen Nukleonen und [[Pion]]en ([[Pion-Austauschmodell]]). Die geringe Reichweite wird durch die von Null verschiedene Masse der Pionen erklärt, die im [[Yukawa-Potential]] zu einer exponentiellen Abschwächung auf größeren Abständen führt. Außerdem wurde in den Nukleon-Nukleon-Potential-Modellen der Austausch weiterer Mesonen berücksichtigt (wie der des [[Rho-Meson]]s). Da Berechnungen der Kernkraft mit der QCD bisher nicht möglich sind, benutzt man zum Beispiel in der Beschreibung der Nukleon-Nukleon-Streuung verschiedene phänomenologisch angepasste Potentiale, die auf Mesonenaustauschmodellen basieren (wie das Bonn-Potential).

=== Erklärung der Restwechselwirkung ===
[[Datei:Pn scatter pi0.svg|miniatur|300px|[[Feynman-Diagramm]] einer starken [[Proton]]-[[Neutron]]-Wechselwirkung vermittelt durch ein neutrales [[Pion]]. Die Zeit-Achse verläuft von links nach rechts.]]

[[Datei:Pn Scatter Quarks.svg|miniatur|300px|Dasselbe Diagramm mit den einzelnen Konstituenten-[[Quark (Physik)|Quarks]] gezeigt, um darzustellen, wie die ''fundamentale'' starke Wechselwirkung eine „Kernkraft“ erzeugt. Gerade Linien sind Quarks, vielfarbige Schleifen [[Gluonen]] (Träger der [[Grundkräfte der Physik|Grundkraft]]). Andere Gluonen, welche Proton, Neutron und Pion (im „Flug“) zusammenhalten, sind nicht dargestellt.]]

[[Datei:Nuclear Force anim smaller.gif|miniatur|350px|Eine Animation der Wechselwirkung, die zwei kleinen farbigen Punkte sind Gluonen. Anti-Farben können [[:Datei:Quark Anticolours.png|diesem Diagramm]] entnommen werden. ([[:Datei:Nuclear_Force_anim.gif|größere Version]])]]

Zwischen Atomen ist das abstoßende [[Potential (Physik)|Potential]] bei kleinen Abständen eine Folge des [[Pauli-Prinzip]]s für die [[Elektron]]en<nowiki />zustände. Bei Annäherung zweier Nukleonen mit sechs Quarks hat jedes Quark aber erheblich mehr Freiheitsgrade im niedrigsten Zustand (Bahndrehimpuls l=0): neben [[Spin]] (2 Zustände) noch eine Farbladung (3 Zustände) und [[Isospin]] (2 Zustände), zusammen also 12, auf die sich die sechs Quarks nach dem Pauli-Prinzip verteilen können.<ref>Die Gesamtwellenfunktion ist antisymmetrisch und damit muss, da der Farbanteil immer antisymmetrisch ist (Gesamtfarbladung Null) bei symmetrischer Raum-Wellenfunktion (Bahndrehimpuls 0) der Spin-Isospin-Anteil auch symmetrisch sein</ref> Das Pauli-Prinzip ist hier nicht unmittelbar für die Abstoßung verantwortlich, die sich unterhalb etwa 0,8 fm bemerkbar macht. Der Grund liegt vielmehr in der starken Spin-Spin-Wechselwirkung der Quarks, die sich augenfällig darin ausdrückt, dass die [[Delta-Resonanz]] (mit parallelen Spins der drei Quarks) eine um etwa ein Drittel höhere Masse als das Proton hat. Stehen also die Spins der Quarks parallel zueinander, so nimmt die [[potentielle Energie]] des Systems zu. Dies gilt auch bei sich überlappenden Nukleonen, und zwar umso stärker, je geringer der Abstand der Nukleonen voneinander ist. Versuchen die Quarks durch Umkehrung des Spins ihre ''chromomagnetische'' Energie zu minimieren, gelingt dies nur durch Übergang in einen energetisch höheren Bahndrehimpulszustand (l=1).<ref>Diskussion nach Povh, Rith, Schulze, Zetsche ''Teilchen und Kerne'', S. 250f, dort nach [[Amand Fäßler]]</ref>

Mit noch größerem Abstand voneinander gelangen die Nukleonen in den anziehenden Teil der starken Wechselwirkung. Hierbei spielt weniger der Quark-Quark-Austausch (zwei Quarks sind gleichzeitig beiden beteiligten Nukleonen zugeordnet), den man in Analogie zur [[Kovalente Bindung|kovalenten Bindung]] erwartet, eine Rolle, als vielmehr der von farbneutralen Quark-Antiquark-Paaren (Mesonen) aus dem ''[[Seequark]]''-Anteil der Nukleonwellenfunktion in der QCD.

Eine vollständige Beschreibung der Kernkraft aus der Quantenchromodynamik ist jedoch bisher nicht möglich.

== Einordnung der starken Wechselwirkung ==
{{Tabelle der Grundkräfte}}

== Literatur ==
{{Siehe auch|Kernphysik|Elementarteilchenphysik|Quantenchromodynamik}}

=== Fachartikel ===

* {{Literatur |Autor=[[Wolfgang Wild]] |Titel=Kernkräfte und Kernstruktur (I) |Sammelwerk=Physik Journal |Band=33 |Nummer=7 |Datum=1977-07 |DOI=10.1002/phbl.19770330703 |Seiten=298–307}}
* {{Literatur |Autor=Wolfgang Wild |Titel=Kernkräfte und Kernstruktur (II) |Sammelwerk=Physik Journal |Band=33 |Nummer=8 |Datum=1977-08 |DOI=10.1002/phbl.19770330804 |Seiten=356–362}}

*{{Literatur |Autor=E. Epelbaum, H.-W. Hammer, Ulf-G. Meißner |Titel=Modern theory of nuclear forces |Sammelwerk=Reviews of Modern Physics |Band=81 |Nummer=4 |Datum=2009-12-21 |Sprache=en |DOI=10.1103/RevModPhys.81.1773 |Seiten=1773–1825}}
*{{Literatur |Autor=Franz Gross u. a. |Titel=50 Years of Quantum Chromodynamics: Introduction and Review |Sammelwerk=The European Physical Journal C |Band=83 |Nummer=12 |Datum=2023-12-12 |Sprache=en |DOI=10.1140/epjc/s10052-023-11949-2 |Seiten=1125}}

=== Fachbücher ===

* {{Literatur |Autor=Harald Fritzsch, [[Murray Gell-Mann]] |Titel=50 Years of Quarks |Verlag=World Scientific |Datum=2015 |Sprache=en |ISBN=978-981-4618-09-0 |DOI=10.1142/9249}}
* {{Literatur |Autor=[[Manfred Böhm (Physiker, 1940)|Manfred Böhm]], [[Ansgar Denner]], [[Hans Joos]] |Titel=Gauge Theories of the Strong and Electroweak Interaction |Verlag=Vieweg+Teubner Verlag |Ort=Wiesbaden |Datum=2001 |Sprache=en |ISBN=978-3-322-80162-3 |DOI=10.1007/978-3-322-80160-9}}
* {{Literatur |Autor=Chris Quigg |Titel=Gauge Theories of the Strong, Weak, and Electromagnetic Interactions |Auflage=2nd |Verlag=Princeton University Press (De Gruyter) |Ort=Princeton, NJ |Datum=2014 |Sprache=en |ISBN=978-1-4008-4822-5 |DOI=10.1515/9781400848225}}

=== Mesonen-Physik ===

* {{Literatur |Autor=[[Robert E. Marshak]] |Titel=Meson Physics |Verlag=Dover (McGraw-Hill Book Company) |Ort=New York |Datum=1952 |Sprache=en |Online=https://archive.org/details/meson-physics-robert-marshak}}
* {{Literatur |Autor=[[Wilhelm Macke|W. Macke]] |Titel=Struktur der Kräfte im Atomkern |Sammelwerk=Physikalische Blätter |Band=15 |Nummer=2 |Datum=1959 |DOI=10.1002/phbl.19590150202 |Seiten=55–64}}
* {{Literatur |Autor=Viśvapriya Mukherji |Titel=A history of the meson theory of nuclear forces from 1935 to 1952 |Sammelwerk=Archive for History of Exact Sciences |Band=13 |Nummer=1 |Datum=1974 |Sprache=en |DOI=10.1007/BF00327862 |Seiten=27–102}}

== Weblinks ==
* {{Literatur |Autor=[[Harald Fritzsch]] |Titel=The history of QCD |Sammelwerk=CERN Courier |Datum=2012-09-27 |Sprache=en |Online=https://cerncourier.com/a/the-history-of-qcd/}}

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Navigationsleiste Die vier Grundkräfte der Physik}}

[[Kategorie:Quantenfeldtheorie]]
[[Kategorie:Kernphysik]]
[[Kategorie:Teilchenphysik]]

Starke Wechselwirkung - Versionsgeschichte

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