Pentaquark! Penta-was?

DIE ZEIT: Herr Professor Uwer, ganz unvorbereitet wollte ich nicht in dieses Interview gehen. Ich habe "Pentaquark" bei Wikipedia nachgeschlagen. Dort steht: "exotische Hadronen mit einer Baryonenzahl von +1 und einem Aufbau aus fünf Quarks". Nun weiß ich nicht, was ich Sie zuerst fragen soll.

Ulrich Uwer: Es geht im Groben um Elementarteilchen, also jene Teilchen, aus denen unsere Materie besteht. Sie kennen doch Neutronen und Protonen, oder?

ZEIT: Ja, das sind die Bestandteile, aus denen die Kerne unserer Atome aufgebaut sind.

Uwer: Genau, das lernt man ja noch im Chemieunterricht: Atome bestehen aus einer Hülle und einem Kern. In der Hülle schwirren negativ geladene Elektronen umher, der Kern setzt sich aus ungeladenen Neutronen und positiv geladenen Protonen zusammen. Was die Größe betrifft, verhält sich der Kern zum gesamten Atom etwa so wie eine Orange zum Kölner Dom.

ZEIT: In Ordnung, unsere Materie besteht aus kleinen Teilchen und deren Kern aus Protonen und Neutronen, das ist so weit klar. Aber Hadronen?

Uwer: Zu den Hadronen kommen wir gleich. Vorher müssen Sie wissen, dass Neutronen und Protonen in Wahrheit gar keine Elementarteilchen sind. Man kann sie abermals aufspalten, in noch kleinere Strukturen. In den 1960ern entdeckten Forscher, dass diese aus sogenannten Quarks bestehen. Als sie Elektronen mit sehr hoher Energie auf Protonen und Neutronen schossen – zu diesem Zweck gibt es Teilchenbeschleuniger –, konnten sie Quarks nachweisen.

ZEIT: ... Neutronen- und Protonensplitter sozusagen?

Uwer: Ja, aber Quarks sind nicht nur kleiner als Protonen und Neutronen, sondern haben auch ganz andere Eigenschaften. Und im Gegensatz zu Splittern, die zum Beispiel beim Zerschmettern von Geschirr oder Glas entstehen, existieren sie nicht frei.

ZEIT: Warum?

Uwer: Quarks bleiben äußerst ungern allein. Zwischen ihnen herrscht eine Anziehungskraft, die viel stärker ist als die elektromagnetische Kraft zwischen Protonen und Elektronen. Wir nennen diese Kraft die "starke Wechselwirkung". Deshalb braucht man ja so viel Energie, um Quarks voneinander zu trennen. Selbst wenn die Trennung gelingt, lagern sie sich innerhalb kürzester Zeit wieder zu Grüppchen zusammen. Und hier kommen wir endlich zu den Hadronen: Hadronen ist, vereinfacht gesagt, der Oberbegriff für alle Gruppen, die Quarks bilden. Auch Pentaquarks sind also Hadronen.

"Es gibt auch Antifarbe"

ZEIT: Laut Wikipedia ein "exotisches".

Uwer: Als exotisch bezeichnet man Pentaquarks, weil sie aus fünf Quarks bestehen. Bisher beobachtete man Quarks in Dreiergrüppchen – Neutronen und Protonen bestehen zum Beispiel aus jeweils drei Quarks. Es gibt auch Paare. Aber Fünfergruppen sind schon ungewöhnlich.

ZEIT: Elektronen und Protonen halten zusammen, weil sie genau entgegengesetzte Ladungen tragen, die einander neutralisieren: Plus und Minus. Sind Quarks auch geladen?

Uwer: Ja, aber Quarks werden nicht durch die elektromagnetische, sondern die vorhin erwähnte "starke Kraft" zusammengehalten. Und diese wirkt über eine Form von Ladung, die nur sehr kurze Abstände überbrückt.

ZEIT: Wie kann man sich diese Ladung vorstellen?

Uwer: Damit haben selbst Physiker Schwierigkeiten. Wir nennen sie "Farbladung".

ZEIT: Quarks sind bunt?

Uwer: Verstehen Sie das nicht wörtlich, es ist eine Metapher, die aus der additiven Farbmischung stammt. Stellen Sie sich rote, grüne und blaue Scheinwerfer vor, deren Strahlen sich auf einer weißen Fläche überlagern: Diese leuchtet dann weiß, bleibt also farblich neutral. So ist es auch bei den Quarks: Wenn sich drei Quarks unterschiedlicher Färbung zusammenfinden, sind sie nach außen hin "neutral". Und damit kommen wir zu den Hadronen zurück: Physiker definieren Hadronen als "farbneutrale gebundene Quarkzustände". In so einem farbneutralen Zustand befindet sich auch das Pentaquark. Daher ist es wirklich ein Hadron.

ZEIT: Wie kann das Pentaquark farbneutral sein, wenn es aus fünf Quarks besteht? Müssten es nicht wenigstens sechs sein, also zwei blaue, zwei grüne, zwei rote?

Uwer: Nein, denn es gibt auch Antifarbe. Antigrün gleicht Grün aus, Antiblau neutralisiert Blau und so weiter. Ein Pentaquark könnte also theoretisch aus einem grünen, einem blauen und einem roten Quark plus einem grünen und einem antigrünen Quark bestehen. Es sind auch andere Kombinationen möglich.

ZEIT: Das klingt absurd.

Uwer: Die Farbladung ist nur ein Hilfsbegriff. Er steht für eine Eigenschaft der Quarks, die bewirkt, dass sie sich anziehen und zusammenhaften. Bei Pentaquarks ist dieser Zustand allerdings nur vorübergehend, sie zerfallen ziemlich schnell wieder in leichtere Hadronen.

ZEIT: Quasi eine Quark-Party, und danach gehen alle wieder nach Hause.

Uwer: Eine äußerst kurze Party. Das Ganze dauert nicht länger als etwa 10^-23 Sekunden.

Korrekturhinweis: In der Printversion dieses Interviews war die Zeit in der letzten Antwort nicht korrekt angegeben. 10^-23 Sekunden ist jetzt richtig. Die Redaktion.