Einem Forscher von der Universität von Maryland in College Park ist es mit einem mathematischen Trick gelungen, den komplizierten Aufbau eines Protons am Computer sichtbar zu machen. Das neue Verfahren erzeugt eine Molekülorbitalen gleichende Karte der Verteilung der Quarks in dem Kernbaustein. Somit lässt sich unter anderem das Zustandekommen des Protonenspins erklären. Das berichtet Xiangdong Ji im Fachblatt Physical Review Letters (Band 91 Nummer 062001).
Der Wissenschaftler stellte bereits im Jahre 1996 eine neue mathematische Theorie zur Beschreibung der Quark-Verteilung eines Protons vor. Das auf den Namen Generalisierte Parton Verteilung (GPD für generalized parton distribution) getaufte Verfahren konnte so einen Zusammenhang zwischen den Ergebnissen von Experimenten mit Protonen und den Theorien von Kernphysikern herstellen. Dieser Erfolg wurde allerdings bisher von der Komplexität der GPD überschattet.
Ji hat nun eine neue Methode entwickelt, um die Ergebnisse seiner Theorie auf relativ einfache Weise am Computerbildschirm sichtbar zumachen. Dazu ließ er sich von den aus der Chemie bekannten Orbitalen leiten. Diese wolkenähnlichen Gebilde zeigen die Wahrscheinlichkeit auf, ein Elektron an einem bestimmten Ort innerhalb eines Atoms oder Moleküls zu finden – je dichter die Wolke, umso größer die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Elektron an diesem Ort befindet.
Die Form dieser Wolken hängt von dem Drehimpuls der Elektronen ab. Das neue, für Quarks adaptierte Verfahren basiert auf demselben Prinzip. Je nach Drehimpuls ergeben sich so mehr oder weniger komplizierte, oft hantelförmige Gebilde. Nur wenn alle möglichen Spins gleichzeitig dargestellt werden, ergibt sich eine kugelförmige Struktur. Ji konnte in seiner Arbeit so aufzeigen, wie sich der Spin eines Protons aus dem der es konstituierenden Quarks ergibt.
Der Studie nach bewegen sich die drei Quarks eines Protons keineswegs völlig ungeordnet gegeneinander. Vielmehr hängt deren Dynamik je nach Drehimpuls auf unterschiedliche Art von deren Ort innerhalb des Protons ab. Ji hofft, auf diese Weise mehr über den Aufbau der Kernteilchen zu erfahren und auch Experimentatoren ein einfachereres Mittel zur Interpretation ihrer Experimente zur Verfügung zu stellen.
Stefan Maier
