The Structure of the Nucleon

The Structure of the Nucleon
Von A. W. Thomas u. W. Weise. Wiley-VCH, Weinheim 2001. XIV + 289 S., Hardcover, ISBN 3-527-40297-7 (bestellen)

Das Nukleon ist ein relativistisches Vielkörpersystem. Seine Konstituenten, historisch auch Partonen genannt, sind Valenz-Quarks, See-Quarks und Gluonen und daraus gebildete "Cluster" oder "effektive Freiheitsgrade", wie Goldstone-Bosonen, Vektor-Meson-Dominanz, Solitonen, Instantonen, Konstituenten-Quarks, ... . Modelle auf der Basis dieser Konstituenten sollen zur Erklärung einer Vielzahl von Observablen dienen: schwachen und elektromagnetischen Formfaktoren, magnetischen Momenten, Polarisierbarkeiten, Kopplungskonstanten, Resonanzen, d.h. dem Anregungsspektrum des Nukleons, Pion-Produktion, schwache Ströme, Quark- und Gluon-Strukturfunktionen, Summenregeln, .... .
Dabei sollen alle Vorstellungen aus der fundamentalen QCD, der Theorie der starken Wechselwirkung, herleitbar sein. Bei hohen Impulsüberträgen kann die QCD perturbativ in der laufenden Kopplungskonstanen gelöst werden, und der Erfolg der perturbativen QCD hat die Quark-Gluon-Struktur des Nukleons erst etabliert. Bei niedrigen Impuls überträgen muss diese strikt nichtlineare Theorie durch effektive Modelle, wie das Bag-Modell und seine chirale Erweiterung, das Konstituenten-Quark-Modell, das Solitonen-Modell, das chirale Quark-Modell und andere, näherungsweise beschrieben werden. Dabei gibt jedes dieser Modelle einen anderen Aspekt des doch einheitlichen Nukleons wieder. Eine einheitliche Beschreibung kann man aber vermutlich nur von der "Gitter-Eichtheorie" erhoffen. Diese versucht, die QCD numerisch auf einem Raum-Zeit-Gitter zu lösen, um dann durch die Extrapolation zu verschwindenden Gitterkonstanten die Kontinuumslösung zu bestimmen.
Wer bis hierher verwirrt ist, weil er die Schlagworte gehört hat, aber nichts mit ihnen anfangen kann, oder wer schon lange mit den Schlagworten arbeitet, aber doch nicht so genau weiß, was dahinter steckt, der greife zum Buch von Anthony W. Thomas und Wolfram Weise. Auf nur knapp 300 Seiten behandelt dieses Buch den neuesten Stand der Struktur des Nukleons. Kenner des Gebiets werden glauben, das sei unmöglich. Die Autoren haben aber eine besondere Idee genutzt, um diese Knappheit zu erreichen. Unter Einschluss des neuesten Standes der Experimente konzentrieren sie sich auf die Physik und den daraus folgenden theoretischen Ansatz. Die dann notwendigen technischen Rechnungen werden übersprungen und die Endergebnisse präsentiert. In einem kurzen, prägnanten Anhang sind aber die wesentlichen theoretischen Methoden zusammengefasst. Wer sich für die Durchführungen der Rechnungen interessiert, hat über das sehr gute Literaturverzeichnis leichten Zugang. Dieses Literaturverzeichnis zeichnet sich dadurch aus, dass es die wirklich relevanten alten und neuen Artikel herausgesiebt hat. Ein mutiges, mühsames, aber unbedingt notwendiges Unterfangen.
Auf der Basis der skizzierten Idee ist ein Werk von bestechender Kohärenz entstanden. Die häufig sehr disjunkt erscheinenden Vorstellungen über die Nukleonenstruktur werden, so weit es bereits geht, "vereinigt". Diese Möglichkeit der "Vereinigung" ist der wesentliche Fortschritt des Gebiets durch die Ergebnisse der letzten zwei Jahrzehnte. Daher stellt dieses Buch einen Meilenstein dar. Es zeigt die Basis, auf der wir heute weiterforschen können, um das Rätsel der Struktur des Nukleons, das unter dem Schlagwort "Confinement-Problem" zusammengefasst werden kann, zu verstehen. Wer nicht so genau weiß, warum das Confinement hier relevant ist, dem sei wieder das Buch von Anthony W. Thomas und Wolfram Weise empfohlen.
Dieses Buch stellt eine höchst erwünschte und notwendige Klärung des Gebietes dar. Es wird daher mit Begeisterung von allen im Gebiet Arbeitenden genutzt werden. Aber es ist auch wegen seiner besonderen Methode für alle, die einen Überblick über die facettenreiche und fundamentale Struktur des Nukleons erhalten wollen, wärmstens zu empfehlen.
Prof. Dr. Thomas Walcher, Institut für Kernphysik, Universität Mainz