Confinement

Grundidee und Bedeutung

Confinement bezeichnet in der Teilchenphysik das Phänomen, dass Teilchen mit Farbladung nicht isoliert vorkommen. Quarks und Gluonen können deshalb grundsätzlich nicht als freie Teilchen gemessen werden, sondern treten nur in gebundenen, insgesamt farbneutralen Zuständen auf. Allgemein lautet die Aussage des Confinements: In der Natur kommen nur farbneutrale Objekte vor.

Das Phänomen gehört zur Quantenchromodynamik, der Quantenfeldtheorie der starken Wechselwirkung. Eine vollständige theoretische Beschreibung des experimentell beobachteten Confinements steht noch aus.

Beobachtungen und Bindungszustände

In der Natur und in Experimenten wurden bisher ausschließlich farbneutrale Objekte beobachtet. Dazu gehören Mesonen, die aus einem Quark und einem Antiquark bestehen, sowie Baryonen, die Drei-Quark-Zustände sind. Quarks und Gluonen bleiben in solchen Zuständen „eingesperrt“.

Auch der Einsatz hoher Energien setzt keine einzelnen Quarks frei. Versucht man, Quarks voneinander zu trennen, entstehen spontan neue Quark-Antiquark-Paare. Man nimmt außerdem an, dass Gluonen sogenannte Glueballs bilden können. Das sind messbare Bindungszustände ohne Valenzquarks.

Farbladung und Farbneutralität

Quarks und Gluonen tragen Farbladung. Es gibt drei Arten von Farbladung, zu denen jeweils eine entgegengesetzte Antifarbladung gehört. Ein Teilchen ist farbladungsneutral, wenn es insgesamt eine Einheit einer Farbladung und eine Einheit der zugehörigen Antifarbladung enthält. Farbneutralität liegt ebenfalls vor, wenn alle drei Farbladungen oder alle drei Antifarbladungen in gleicher Stärke vorkommen.

Freie einzelne Quarks, die als Stromquarks bezeichnet werden, wären zwangsläufig farbgeladen. Dass sie nicht frei existieren, ist daher ein Spezialfall der allgemeinen Confinement-Aussage. Weil gebundene Teilchen nach außen keine Farbladung zeigen, hat die starke Wechselwirkung nur eine sehr kurze Reichweite.

Lineares Potential und String-Breaking

Computersimulationen zeigen für zwei statische Quarks, bei denen die Paarerzeugung unterdrückt wird, ein Potential, das linear mit ihrem Abstand zunimmt. Daraus ergibt sich eine Kraft, die auch bei wachsendem Abstand konstant bleibt. Dies unterscheidet sie von Gravitation und Elektromagnetismus, deren Kräfte mit zunehmendem Abstand quadratisch abnehmen.

Als Erklärung dient ein Strang aus Gluonen zwischen den farbgeladenen Teilchen. Seine Energie wächst mit seiner Länge, sodass die Trennung eines farbgeladenen Teilchens vom Rest extrem viel Energie erfordern würde. Eine Trennung von Quarks und Gluonen ist deshalb nur unter bestimmten Bedingungen und für sehr kurze Zeit möglich.

In realen Vorgängen steigt die Energie nicht unbegrenzt. Ab einer bestimmten Energie und damit einem bestimmten Abstand entstehen neue Quark-Antiquark-Paare. Diese verbinden sich mit den bereits vorhandenen Teilchen zu neuen farblosen Zuständen. Dieser Vorgang heißt String-Breaking.

Offene theoretische Fragen

Wie der Gluonenstrang genau entsteht, ist noch Gegenstand der Forschung. Die möglichen Mechanismen hängen mit der gegenseitigen Wechselwirkung der Gluonen und ihrer Wechselwirkung mit Vakuumfluktuationen zusammen. Es bestehen verschiedene Szenarien, aber noch kein einheitliches Bild.

Für ein vollständiges Verständnis des Confinements werden geeignete Methoden benötigt, mit denen sich Vielkörperprobleme innerhalb der Quantenchromodynamik lösen lassen.

Confinement in der Quantenmechanik

Außerhalb dieser Bedeutung wird auch ein Potentialtopf häufig als quantenmechanisches Confinement bezeichnet. Gemeint ist dabei die Lokalisierung eines Teilchens.