Quarks — der Stoff, aus dem Atomkerne aufgebaut sind?. Dynamische Vorgänge in Proteinen: 318. Sitzung am 7. November 1984 in Düsseldorf PDF
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Rheinisch-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.
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