Table Of ContentRheinisch-Westfälische Akademie der Wissenschaften
Natur-, Ingenieur-und Wirtschaftswissenschaften Vorträge· N 355
Herausgegeben von der
Rheinisch-Westfälischen Akademie der Wissenschaften
MAX G. HUBER
Quarks - der Stoff, aus dem Atomkerne aufgebaut sind?
FRITZ G. PARAK
Dynamische Vorgänge in Proteinen
Westdeutscher Verlag
318. Sitzung am 7. November 1984 in Düsseldorf
CIP-Kumitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Huber, Mal: H.:
Quarks -der Stoff, aus dem Atomlwne aufgebaut sind? / MD: G. Huber. Dynamiscbe
VorgiiDge in Proteinen / Fritz G. Pank. -Opladen: Westdeutscher Verlag, 1987.
(Vorträge / Rheiniscb-Westruische Akademie der W"usenschaften: Natur-,
Ingenieur. und Wiruchaftswissenn; N 355)
NE: Parak, Fritz G.: Dynamische Vorgiillge in Proteinen; Rheiniscb-Westruische
Akademie der Wissenschaften (DüssddOrf): Vorträge / N.tur~ Ingenieur-und Wirt·
schaftswissenschaften
© 1987 by Westdeutscher Verlag GmbH Opladen
Herstellung: Westdeutscher Verlag
ISSN 0066-5754
ISBN 978-3-531-08355-1 ISBN 978-3-322-86177-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-86177-1
Inhalt
Max G. Huber, Bonn
Quarks - der Stoff, aus dem Atomkerne aufgebaut sind?
1. Einleitung ..................................................... 7
2. Die Struktur des Baryons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10
3. Zur Struktur eines Molekülspektrums.... . . . ................ ...... 13
4. Die N*-Anregung des Deuterons............. . .............. . .... 14
5. Baryonische Anregungen bei höheren Energien - Dibaryonische Mole-
küle oder Quarkkerne? ........ ....... ........ . . .. . . .......... ... 19
6. Strangeness Transfer Reaktionen - das Dotieren von Atomkernen mit
Fremdquarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24
7. N*-Anregungen in komplexen Atomkernen.. .... . .... .. .. . . ....... 25
8. Offene Fragen und Ausblick. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28
9. Zusammenfassung.............................................. 31
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34
Diskussionsbeiträge
Professor Dr. rer. nat., Dr. rer. nato h. c. Ewald Wicke; Professor Dr. rer.
nato Max G. Huber; Professor Dr. rer. nato fase! Speth; Professor Dr. rer.
nato Andreas Otto; Professor Dr. rer. nato Peter von Brentano; Professor
Dr. rer. nato Horst Rollnik; Professor Dr. rer. nato Theo Mayer-Kuckuk.. 35
Fritz G. Parak, Münster
Dynamische Vorgänge in Proteinen
1. Einführung.................................................... 43
2. Röntgenstrukturanalyse als Hilfsmittel zur Untersuchung der Protein-
dynamik ....................................................... 44
3. Mößbauer Absorptionsspektroskopie am Hämeisen . . . . . . . . . . . . . . . .. 48
4. Proteindynamik als entropiegetriebener Prozeß. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51
5. Der Einfluß des umgebenden Mediums. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54
6. Proteindynamik und Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 60
6 Inhalt
Diskussionsbeiträge
Professor Dr. rer. nato Dankward Schmid; Professor Dr. rer. nato Fritz
G. Parale; Professor Dr. rer. nato Tasso Springer; Professor Dr. med.
Benno Hess; Professor Dr. rer. nato Georg Ilgenfri,tz; Professor Dr. rer. nato
Peter von Brentano; Professor Dr. rer. nato Otto Schult; Professor Dr. phil.
nato habil. Hermann Flohn; Professor Dr. rer. nato Andreas Otto; Professor
Dr. rer. nat., Dr. rer. nato h. c. Ewald ~cke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61
Quarks - der Stoff, aus dem Atomkerne aufgebaut sind?
Von Max G. Huber, Bonn
1. Einleitung
Von allen elementaren Naturkräften ist die starke Wechselwirkung die geheim
nisvollste und die bisher am wenigsten verstandene; sie bestimmt die Struktur der
Hadronen - d. h. der Mesonen und Baryonen -, aber auch den Aufbau hadroni
scher Materie wie etwa der Atomkerne oder der Neutronensterne.
Beide Aspekte der starken Wechselwirkung wurden jedoch lange Zeit als unzu
sammenhängende Phänomene betrachtet und demgemäß auch von verschiedenen
Disziplinen untersucht: der Hochenergiephysik auf der einen und der Kernphysik auf
der anderen Seite. Diese Trennung hatte zunächst instrumentelle und methodische
Gründe; andererseits gab es aber ursprünglich auch wenig Hinweise auf eine
gemeinsame Wurzel der beiden Gebiete.
Erst mit der auf GELL-MANN [1] zurückgehenden Quarkhypothese wurde immer
deutlicher, daß alle hadronischen Systeme aus elementareren Bausteinen zusam
mengesetzt sind, eben den Quarks: Das sind Fermionen, die in insgesamt fünf (oder
sechs) verschiedenen Arten, den sog. "Flavourzuständen" auftreten und die jeweils
die Baryonenzahl B = YJ tragen (siehe Tab.la).
Diese Baryonenzahl nun ist eine wichtige Größe: Sie wird bei den Prozessen der
starken Wechselwirkung nicht verändert und unterscheidet demgemäß die einzel
nen hadronischen Systeme in charakteristischer Weise voneinander (Tab. 2).
Erweitert man das System der Quarks noch durch ihre Antiteilchen, die sog. Anti
quarks (mit B = -YJ), dann hat man die zum Aufbau der gesamten hadronischen
Welt benötigten Bausteine zusammen (Tab.lb).
Die innere Dynamik der Hadronen ergibt sich aufgrund allgemeiner Symme
trieüberlegungen ("Eichprinzipien" ): Demnach wechselwirken Quarks (und Anti
quarks) miteinander durch den Austausch sog. Eichbosonen (Gluonen). Dies führt
zu einem System nichtlinear gekoppelter Fermionen- und Bosonenfelder, das
durch die Grundgleichungen der Quantenchromodynamik (QCD) beschrieben
wird. Wegen der Nichtlinearität dieser Feldgleichungen ist es bis heute nicht
möglich, diese rigoros zu lösen. Zwar sind unter vereinfachenden Annahmen
approximative Lösungen für einige einfache Hadronen möglich (in diesem Zusam
menhang ist vor allem auf die Ergebnisse der sog. Gitter-QCD zu verweisen); doch
8 MaxG.Huber
Tabelle 1: Zusammenstellung der Quarks (Tab. 1 a) und der Antiquarks (Tab. 1 b) zusammen mit ihren
charakteristischen Eigenschaften: Spin (S), Baryonenzahl (B), Ladung (Q) und Masse (M).
(Hier ist die sog. "Konstituentenmasse" angegeben). Die einzelnen Quarkspezies -down (d),
up (u), strange (s), charm (c), bottom (b) und top (t) -unterscheiden sich durch sog. "flavour"
Quantenzahlen voneinander, die bei Prozessen der starken Wechselwirkung erhalten blei
ben: Isospin (T), Strangeness (S*), Charm (C*), Bottomness (B*) und Topness (T*). Bis heute
sind die ersten fünf Quarks experimentell gefunden worden. Die Existenz des sechsten
Quarks, des sog. Topquarks, wird aufgrund von Symmetrieüberlegungen erwartet; nach
ihm wird noch gesucht.
a) Quarks d u s c b t
S Ih In Ih In Ih Ih
B Ih Ih Ih 1h Ih 1h
Q -1h +% -Ih +% -1h +%
M 350 350 550 1700 5000 ?
T In Ih 0 0 0 0
T, -Ih +Ih 0 0 0 0
S* 0 0 -1 0 0 0
C* 0 0 0 +1 0 0
B* 0 0 0 0 -1 0
T* 0 0 0 0 0 +1
b) Antiquarks cl iI S c b t
S In Ih In In In In
B -Ih -1h -1h -Ih -Ih -1h
Q +1h -% +1h -% +Ih -%
M 350 350 550 1700 5000 ?
T Ih In 0 0 0 0
T, +Ih -Ih 0 0 0 0
S* 0 0 +1 0 0 0
C* 0 0 0 -1 0 0
B* 0 0 0 0 +1 0
T* 0 0 0 0 0 -1
erscheint es für komplexe Hadronen (speziell für solche mit B :.? 2, d. h. also für
Atomkerne) unerläßlich, mit Hilfe von Modellen deren innere Dynamik zu
erschließen.
Dabei führt insbesondere das sog. Confinementproblem auf Fragestellungen, die
für die Theorie und das Experiment gleichermaßen herausfordernd sind: Aus der
Tatsache, daß alle beobachteten hadronischen Systeme durch eine ganzzahlige
Baryonenzahl charakterisiert sind (B = 0, ±1, ±2, ...) , ist zu schließen, daß sich nur
Quarks - der Stoff, aus dem Atomkerne aufgebaut sind? 9
Tabelle 2: Dominanter Quarkinhalt einiger einfacher Hadronen; diese hier angegebenen Quarkkonfi
gurationen können durch Hinzufügen von (qq)-Paaren ("seaquarks") und von Gluonen
noch erweitert werden. (A bezeichnet die Massenzahl.)
Quark-
B Hadron
inhalt
0 Meson qq
1 Baryon q3
-1 Antibaryon q3
2 Dibaryon q6
A Atomkern q3A
Systeme mit drei (bzw. sechs etc.) Quarks in der Natur verwirklichen lassen.
(Analoges gilt für Antiquark-Systeme und solche, die aus Quarks und Antiquarks
zusammengesetzt sind (s. Tab. 2).)1
Bei komplexen Systemen (Tab. 3) stellt sich nun bereits die Frage, ob die einzel
nen Quarks auch im Kernverband jeweils zu (q3)-Konfigurationen korreliert sind
oder aber ob hier das elementare Confinement gelockert bzw. ganz aufgehoben ist.
Zur Beantwortung dieser Frage gilt es nun, mit geeigneten Untersuchungen das
Problem der Delokalisierung der Quarks im Kernverband systematisch aufzuklä
ren, vor allem im Hinblick auf die Beeinflussung dieses Effektes durch äußere Para
meter, z. B. die Anregungsenergie oder die Kerndichte.
In der folgenden Abhandlung werden nun einige der mit der Quarkhypothese
verbundenen Konsequenzen näher skizziert und erläutert. Dabei wird im folgen
den Kapitel kurz die Substruktur des Baryons erläutert und - in Kapitel 3 - die Ana
logie zwischen komplexen hadronischen Systemen und Molekülen diskutiert.
Dieses Konzept wird in den Kapiteln 4 und 5 auf das dibaryonische Molekül ange
wandt. Die Möglichkeit des Dotierens von Atomkernen mit sog. strange quarks
wird in Kapitel 6 im Zusammenhang mit speziellen Reaktionen erläutert. In Kapi
tel7 schließlich wird das Konzept auf die Multibaryonsysteme erweitert und auf
die Pionkernstreuung im Bereich der L1(3,3)-Resonanz exemplarisch angewandt.
I Dieses Confinementproblem läßt sich mit Hilfe des sog. Farbfreiheitsgrades der Quarks präziser for
mulieren: Demnach ist jedes Quark noch durch einen von drei möglichen Farbwerten charakterisiert
(z. B. rot, blau oder grün); das Aufbauprinzip der Hadronen aus Quarks bzw. Antiquarks wird nun
durch die zusätzliche Forderung ergänzt, daß alle in der Natur beobachtbaren Hadronen farblos sein
sollen. Das führt bei farblosen Systemen mit der Baryonenzahl B ~ 2 auf die hier diskutierte Frage, ob
auch lokal das Gebot der Farbfreiheit gilt oder ob Farbverteilungen im Innern dynamisch erlaubt sind.
Eng mit dieser Frage hängt auch die Existenz entsprechender Anregungszustände der sog. "Farbdipol
anregungen" zusammen.
10 MaxG.Huber
Tabelle 3: Einfachster Flavourinhalt einiger hadronischer Systeme
Hadronisches System B N Ndown Nup Nstrange
ProtonP 1 3 1 2 0
NeutronN 1 3 2 1 0
.1++ 1 3 0 3 0
.1+ 1 3 1 2 0
.10 1 3 2 1 0
.1- 1 3 3 0 0
A 1 3 1 1 1
1:+ 1 3 0 2 1
,Eo 1 3 1 1 1
,E- 1 3 2 0 1
Deuteron 2 6 3 3 0
I2C 12 36 18 18 0
12AC 12 36 17 18 1
12p C 12 36 16 19 1
I2]}!C 12 36 17 18 1
12};'-C 12 36 18 17 1
40Ca 40 120 60 60 0
48Ca 48 144 76 68 0
2. Die Substruktur des Baryons
In der traditionellen Kernphysik wird der Kern als ein gebundenes System von
Protonen und Neutronen betrachtet. Diese beiden Teilchen - unter dem Namen
Nukleon zusammengefaßt - werden als strukturlos und elementar betrachtet. Die
Erkenntnisse der Hochenergiephysik während der vergangenen zwanzig oder
dreißig Jahre haben jedoch gezeigt, daß das Nukleon lediglich der Grundzustand
eines sehr viel komplexeren Systems, des Baryons ist. Das Anregungsspektrum
dieses Baryons ist in Fig. 1. dargestellt.
Dabei sieht man dreierlei:
1. Es handelt sich dabei um ein sehr reichhaltiges Spektrum mit einer hohen
Zustandsdichte.
