Wie der Name schon verrät beschäftigt sich die Hadronenphysik vor Allem mit Hadronen. Aber was sind Hadronen denn eigentlich ganz genau?
Ganz einfach gesagt sind Hadronen zusammengesetzte Teilchen, die von der starken Wechselwirkung zusammengehalten werden. Zusammengesetzt werden sie aus Quarks, Antiquarks und Gluonen, den elementaren Bausteinen der Materie. Hier gibt es allerdings ein paar Regeln zu beachten. Ganz wichtig ist es, daß die zusammengesetzten Teilchen nach aussen farbneutral sind. Farbe ist hier allerdings nicht im wörtlichen Sinne zu verstehen, sondern es handelt sich um die Ladung der starken Wechselwirkung. Mehr dazu gibt es im Blog-Beitrag zur Quantenchromodynamik.
Damit ergibt sich schon ganz zwangsläufig, dass es nur bestimmte Kombinationen von Quarks und Antiquarks geben kann. Die Ladung ist so aufgebaut, dass es, ganz wie bei der elektrischen Ladung, Ladung und Antiladung gibt. Das heisst es kann ganz einfach eine gerade Anzahl an Quarks und Anti-Quarks so zusammengebaut werden, dass sie jeweils Farbe und Antifarbe tragen. Alternativ gibt es die Möglichkeit, dass alle drei Farben (rot, grün, blau) zusammengesetzt werden, dies ergibt dann auch im Ergebnis einen farbneutralen Zustand. Das gleiche funktioniert auch mit den Antifarben anti-rot, anti-grün und anti-blau.
So können wir Hadronen also schon in zwei Klassen einteilen - die Mesonen und die Baryonen. Mesonen bestehen aus Quark- und Antiquark-Paaren, während die Baryonen aus mindestens drei Quarks bestehen.
Der Name kommt übrigens aus dem Altgriechischen, hier bedeutet ἁδρός (hadrós) einfach nur dick bzw. stark. Meson kommt von τὸ μέσον (tó méson) - das Mittlere und Baryon hat seinen Ursprung von βαρύς barýs, was schwer oder gewichtig heisst. Das klingt auch erstmal sinnvoll, da die Mesonen ja nur aus zwei Teilchen bestehen, also eher mittel im Gewicht sind und die Baryonen eher schwer sind. Hier steckt der Teufel natürlich im Detail, da es auch viele Mesonen gibt, die schwerer als manche Baryonen sind. Aber das ist eine andere Geschichte...
Doch sind auch andere farbneutrale Teilchen denkbar als Quark und Antiquark bzw. 3 Quarks oder Antiquarks? Klar!
Wir könnten zum Beispiel auch 4 Quarks und ein Antiquark zusammenbauen und könnten in der richtigen Farbkombination einen farbneutralen Zustand hinbekommen - oder auch zwei Quarks und zwei Antiquarks. Hier sind viele Kombinationen denkbar. Was zum Beispiel nicht geht ist ein Zustand aus vier Quarks, diesen Zustand würde man nie farbneutral hinbekommen.
Und so erklärt sich auch die Vielfalt an Teilchen, die die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR untersuchen und vermessen.
Denn in der Physik ist es natürlich nie ganz so einfach, wie hier beschrieben. Zusätzlich zu den Quarks und Antiquarks gibt es noch Gluonen, die die starke Wechselwirkung vermitteln und im Hadron rumschwirren. Dann gibt es angeregte Zustände, die nach kurzer Zeit wieder zerfallen (kleine Randnotiz: Bis auf das Proton zerfallen tatsächlich alle Hadronen, teils nach Bruchteilen von Sekunden, teils erst nach einigen Minuten). Und zu verstehen wie diese ganzen Zustände aufgebaut sind, im Detail funktionieren oder miteinander wechselwirken ist die Aufgabe der Hadronenphysiker der HFHF.