Nuklearer Massenschwund

Mesonen sind innerhalb eines Atomkerns leichter als außerhalb. Das haben japanische Forscher bei Experimenten am Protonenbeschleuniger KEK in Tsukuba herausgefunden.

Das φ-Meson besteht aus einem seltsamen Quark und einem seltsamen Antiquark und ist etwas schwerer als ein Proton: Seine Masse beträgt etwa 1 GeV. Wie groß sie tatsächlich ist, soll nach Berechnungen im Rahmen der Quantenchromodynamik (QCD) davon abhängen, wo sich das φ-Meson befindet. Jetzt haben japanische Forscher um Hideto En'yo vom RIKEN bei Experimenten am Protonenbeschleuniger KEK in Tsukuba diesen ortsabhängigen Massenschwund beobachtet.

Quarks sind die Bausteine von Mesonen und Baryonen, zu denen das Proton und das Neutron gehören. In diesen zusammengesetzten „Elementarteilchen“ werden die Quarks durch Gluonen zusammengehalten. Die dabei auftretende Bindungsenergie trägt ganz erheblich zur Masse eines Mesons oder Baryons bei. Erst in den letzten Jahren ist es mithilfe der Gitter-QCD unter Einsatz von Supercomputern gelungen, die Massen solcher Teilchen auf wenige Prozent genau zu berechnen. Kürzlich konnte mit solchen Berechnungen erstmals gezeigt werden, dass sich zwei Nukleonen für Abstände unterhalb von 1 fm abstoßen. Diese Ergebnisse haben das Vertrauen der Wissenschaftler in die QCD erheblich gestärkt.

Doch im Rahmen der QCD gibt es auch Vorhersagen, die umstritten sind. So hatten Gerald Brown und Mannque Rho schon 1991 darauf hingewiesen, dass sich die Massen von leichten Vektormesonen, zu denen das φ-Meson gehört, im Innern eines Atomkerns verringern könnten. Der QCD zufolge erhalten die Mesonen und Baryonen ihre Masse durch die spontane Brechung der chiralen Symmetrie, wobei gewissermaßen die Gleichberechtigung von rechts- und linkshändigen Quarks aufgehoben wird. Für rechtshändige Teilchen zeigt der Spin in Bewegungsrichtung, für linkshändige entgegen. Obwohl das Proton und das N* dieselben Quarks enthalten, haben sie unterschiedliche Massen, da ihre Quarks unterschiedliche Händigkeit haben.

Die Brechung der chiralen Symmetrie geht mit dem Auftreten eines „chiralen Kondensats“ einher, ähnlich dem Kondensat in einem Supraleiter oder einer Supraflüssigkeit. Je nach Dichte dieses Kondensats macht sich die Brechung der chiralen Symmetrie unterschiedlich stark bei den Eigenschaften der Vektormesonen bemerkbar. In normaler Kernmaterie sollte die Dichte des Kondensats geringer sein als außerhalb. Brown und Rho hatten daraufhin vermutet, dass Vektormesonen in einem Atomkern eine um bis zu 20 % geringere Masse haben könnten als im Vakuum. Die Mesonen spüren gewissermaßen die sie umgebenden Quarks und Gluonen der Kernmaterie und verringern daraufhin ihre Masse. Doch wie misst man diesen Massenschwund?

Die japanischen Forscher erzeugten die φ-Mesonen sowie andere Vektormesonen, indem sie Targets aus Kohlenstoff bzw. Kupfer mit 12-GeV-Protonen beschossen. Die instabilen Mesonen zerfielen daraufhin jeweils in ein Elektron-Positron-Paar. Die Wissenschaftler fingen diese Teilchen auf und registrierten ihre Energien. Anhand dieser Energien ließen sich der Bewegungszustand und die Gesamtenergie des jeweiligen φ-Mesonen ermitteln. Daraus gewannen die Forscher eine Statistik über die Ruhemasse der φ-Mesonen, das invariante Massenspektrum. Nachdem sie alle störenden Einflüsse berücksichtigt hatten, konnten sie einen geringfügigen Unterschied zwischen den invarianten Massenspektren der in Kupfer und der in Kohlenstoff erzeugten φ-Mesonen feststellen. Die im Cu-Target entstandenen Mesonen hatten eine deutlich verringerte invariante Masse.

Die Forscher geben dafür folgende Erklärung. Ein gerade erzeugtes Meson konnte innerhalb oder außerhalb eines Atomkerns zerfallen. Zerfiel es innerhalb des Kerns, so sollte dabei nach Brown und Rho das entstehnde Elektron-Positron-Paar eine verringerte Energie haben. Diese beiden Leptonen verließen dann den Kern ohne wesentliche Energieänderung, da sie nicht der starken Wechselwirkung unterlagen. Da Kupfer einen größeren Atomkern hat als Kohlenstoff, sollten für ein Cu-Targets relativ mehr Mesonen innerhalb von Kernmaterie und deshalb mit verringerter Masse zerfallen als für ein C-Target. Frühere Messungen mit ρ- und ω-Vektormesonen hatten kein eindeutiges Resultat gebracht. Die Zerfallszeiten dieser Mesonen sind so kurz, dass sie weder den Kupfer- noch den Kohlenstoffkern verlassen konnten. Die φ-Mesonen haben indes eine viel größere Zerfallszeit, sodass sich für Cu- und C-Targets die jetzt beobachteten Unterschiede zeigen mussten. Die japanischen Forscher kommen zu dem Schluss, dass die Masse der φ-Mesonen in normaler Kernmaterie um 3,4 % verringert ist.

Rainer Scharf

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  R. Muto et al.: Evidence for in-medium modification of φ-meson at normal nuclear density. Phys. Rev. Lett. (im Druck).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.042501
  http://arxiv.org/abs/nucl-ex/0511019
• Phi Decay Experiment(KEKPS E325) Home Page:
  http://www-nh.scphys.kyoto-u.ac.jp/phi/

Weitere Literatur:

• D. Trnka et al.: Observation of In-Medium Modifications of the ω Meson. Phys. Rev. Lett. 94, 192303 (2005).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.192303
• M. Naruki et al.: Experimental Signature of Medium Modifications for ρ and ω Mesons in the 12 GeV p+A Reactions. Phys. Rev. Lett. 96, 092301 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.092301
  http://arxiv.org/abs/nucl-ex/0504016
• C. M. Ko, V. Koch und G. Li: Properties of Hadrons in the Nuclear Medium. Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 47, 505 (1997).
  http://arxiv.org/abs/nucl-th/9702016
• Frank Wilczek: Hard-core revelations. Nature 445, 156 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/445156a
• Thomas Lippert und Klaus Schilling: Quarks auf dem Gitter. Physik Journal, Mai 2004, S. 65.
  http://www.pro-physik.de/...articleid=20278&recordid=20315
• Christof Gattringer: Quarks & Gluonen im Superrechner. Phys. Unserer Zeit 35, S. 227 (2004).