Messung der Röntgenübergänge in kaonischen Deuteriumatomen

Die Welt, wir eingeschlossen, sind aus Atomen aufgebaut. Atome bestehen aus einem Kern der Protonen und Neutronen enthält und Elektronen die ihn umkreisen. Das einfachste Atom, Wasserstoff, besteht aus einem Elektron und einem Proton, während der für das Leben so wichtige Kohlenstoff aus sechs Elektronen und einem Kern mit sechs Protonen und sechs Neutronen besteht. Protonen und Neutronen gehören zur Gruppe der Hadronen und unterliegen der starken Wechselwirkung, einer der vier fundamentalen Kräfte der Natur. Hadronen sind aus Elementarteilchen, Quarks genannt, aufgebaut. Im Falle des Protons sind zwei up-Quarks und ein down-Quark beteiligt. Up- und down-Quarks sind die zwei leichtesten Quarks in der 6-köpfigen Quarkfamilie, die die Elemente up, down, strange, charm, bottom und top enthalten. Die starke Wechselwirkung wirft immer noch viele Fragen auf, insbesondere bei niedrigen Energien, die beantwortet werden müssen: im Speziellen wie die Masse der Hadronen erzeugt wird und welche Rolle die starke Wechselwirkung dabei spielt. Zum Beispiel: das Proton besteht aus drei leichten Quarks, aber die Summe ihrer Masse beträgt nur einige Prozent der Protonmasse. Was ist der Rest? Wir wollen die starke Wechselwirkung mit kaonischen Atomen erforschen. Darunter versteht man Atome, bei denen ein Elektron durch ein negativ geladenes Kaon ersetzt wird. Das Kaon, im Gegensatz zum Elektron, gehört ebenfalls zur Gruppe der Hadronen und unterliegt der starken Wechselwirkung. Protonen und Neutronen werden aus jeweils drei Quarks gebildet, während das Kaon nur aus zwei Quarks: einem QuarkAntiquarkPaar, besteht. Das Besondere am Kaon ist, dass es aus einem leichten Quark und dem viel schwereren strange-Quark besteht. Das im Kaon enthaltene strange-Quark erlaubt uns, wie durch eine Lupe betrachtet, die starke Wechselwirkung zu studieren. Die Experimenten SIDDHARTA-2 und E-57 verwenden negativ geladene Kaonen um kaonische Deuteriumatome zu bilden. Deuterium ist ein Wasserstoffisotop, dessen Atomkern aus einem Proton und einem Neutron besteht. Anders als das Elektron, das durch die elektromagnetische Wechselwirkung an den Atomkern gebunden ist, spürt das Kaon noch zusätzlich die starke Wechselwirkung, die eine Änderung der Bindungsenergie, im Vergleich zur reinen elektromagnetischen Wechselwirkung, zwischen Kaon und Atomkern bewirkt. In beiden Experimenten soll die Bindungsenergie im Grundzustand kaonischer Deuteriumatome präzise vermessen werden, wodurch der Einfluss der starken Wechselwirkung sehr genau untersucht werden kann. Diese Messungen führen zu einem besseren Verständnis der grundlegenden Prozesse der starken Wechselwirkung, eines der fundamentalen Phänomene der Natur, mit Auswirkungen von der Teilchen- und Kernphysik bis hin zu Neutronensternen, deren Kern aus strange Quarks aufgebaut sein könnte.