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Rätselhafte Asymmetrie im Proton

Im Proton gibt es kurzlebige Paare aus Quarks und Antiquarks – und letztere geben Rätsel auf

Proton
Das Proton beinhaltet nicht nur drei Quarks, sondern neueren Erkenntnissen nach auch einen ganzen "See" aus kurzlebigen Quark-Antiquark-Paaren, die durch die Starke Kernkraft entstehen. © Brookhaven National Laboratory

Antimaterie im Kernbaustein: Im Proton entstehen durch die Starke Kernkraft ständig kurzlebige Quark-Antiquark-Paare – die sogenannten Sea-Quarks. Jetzt enthüllt ein Experiment, dass es beim Antimaterie-Anteil dieser Quarks eine Asymmetrie gibt: Es bilden sich mehr Anti-Down-Quarks als Anti-Up-Quarks, wie Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten. Warum das so ist, bleibt ungeklärt. Das Ergebnis könnte aber helfen, die Theorien dazu einzugrenzen.

Das Proton ist einer der Grundbausteine der Materie, denn gemeinsam mit dem Neutron bildet es den Atomkern. Gängiger Lehrmeinung nach besteht das Proton aus drei Quarks, die von der Starken Kernkraft und ihren Überträgerteilchen, den Gluonen, zusammengehalten werden. Das Merkwürdige nur: Die Massen dieser zwei Up- und eines Down-Quarks allein machen nur einen Bruchteil der gesamten Protonmasse aus.

Proton
Protonen gelten als Gebilde aus drei Quarks – zwei Up und ein Down. Doch das ist ein zu vereinfachtes Bild der wahren Vorgänge. © Jacek rybak/ CC-by-sa 4.0

„See“ aus kurzlebigen Quark-Antiquark-Paaren

Doch woher kommt die restliche Masse des Protons? Schon seit längerem vermuten Physiker, dass die Starke Kernkraft durch quantenphysikalische Fluktuationen ständig kurzlebige Teilchen entstehen lässt: Paare aus Quarks und ihren Antimaterie-Gegenparts, den Antiquarks. Dieser „See“ aus flüchtigen Teilchenpaaren – die Sea-Quarks – umgibt die drei das Proton prägenden Quarks und verleiht dem Proton seine zusätzliche Masse.

„Bisher haben wir aber nur ein unvollständiges Wissen darüber, wie sich die Quarks im Proton verhalten und wie sie die Eigenschaften des Kernbausteins prägen“, erklärt Koautor Paul Reimer vom Argonne National Laboratory in Illinois. „Die flüchtige Natur der Quark-Antiquark-Paare macht es schwer, sie zu erforschen.“ Doch den Modellen nach müssten unter den Antimaterie-Quarks genauso viele Anti-Up- wie Anti-Down-Quarks vertreten sein.

Myonen als Boten aus dem Protonen-Inneren

Ob das so ist, haben nun Reimer, Erstautor Jason Dove von der University of Illinois in Urbana-Champaign und ihre Team mit einem speziellen Experiment überprüft. Denn wenn Protonen mit hoher Geschwindigkeit kollidieren, kommt es zu einer Annihilation – die Teilchen und ihre Antiteilchen löschen sich gegenseitig aus. Bei dieser Auslöschungsreaktion wird Energie frei und es entstehen weitere Elementarteilchen, darunter Myonen.

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An diesen Myonen lässt sich ablesen, wie viele Antiquarks in den Protonen präsent waren und von welcher Sorte sie waren. „Mit diesem Experiment konnten wir uns die verwirrende Dynamik im Inneren des Protons näher anschauen, sag Reimers Kollege Don Geesaman. „Und so einige ältere Konzepte zur Natur des Protons überprüfen.“

Asymmetrie bei den Antiquarks

Das Experiment enthüllte: Es gibt eine klare Asymmetrie im Antimaterie-Anteil der kurzlebigen Quarkpaare. Offenbar entstehen die kurzlebigen Quark-Antiquark-Paare nicht in willkürlichen Anteilen, sondern so, dass eine Antiquark-Sorte überwiegt. „Aus der Myon-Paarproduktion ergibt sich, dass mehr Anti-Down-Quarks im Kernbaustein entstehen als Anti-Up-Quarks“, berichten die Forscher.

Diese Asymmetrie zeigte sich über eine breite Spanne an Protonenenergien. Dies widerlegt die Ergebnisse eines früheren Experiments, in dem es zunähst so aussah, als wenn sich die Anteile der verschiedenen Antimaterie-Teilchen im Proton bei einer bestimmten Energie des Protons umkehren. „Wir zeigen stattdessen nun, dass diese Asymmetrie gleichmäßig bleibt und keine Umkehr der Verhältnisse der Antiquarks auftritt“, sagt Reimer.

Ursache ungeklärt

Warum es diese Asymmetrie gibt und wie sie entsteht, ist jedoch noch völlig ungeklärt. Zwar gibt es einige Theorien zur Bildung der Sea-Quarks und ihren Merkmalen. Doch bisher fehlt es an klaren Daten, um zu überprüfen, welche davon stimmt. „Man benötigt Experimente, um die Theorien einzugrenzen, die Natur selbst muss uns den Einblick in die Dynamik des Protons geben“, erklärt Geesaman. Deswegen führe erst die Verknüpfung von Theorie und Experiment zu Ergebnissen.

Die neuen Ergebnisse können nun dabei helfen, Theorien auszusondern oder zu stützen, gleichzeitig geben sie auch wertvolle Hinweise darauf, wo man experimentell weiter forschen sollte. (Nature, 2021; doi: 10.1038/s41586-021-03282-z)

Quelle: DOE/Argonne National Laboratory

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