Starke Wechselwirkung - Yukawa-Theorie

Die starke Wechselwirkung tritt zunächst als Kernkraft in Erscheinung. Diese Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung zeichnet sich durch hohe Stärke und kurze Reichweite aus. Es handelt sich dabei um eine virtuelle Emission und Absorption von Feldquanten, bei der die Energieerhaltung kurzzeitig verletzt wird, was jedoch im Rahmen der Heisenbergschen Unschärferelation erlaubt ist. Eine endliche Reichweite weist dabei auf eine nichtverschwindende Ruhemasse der Austauschteilchen hin. Die Quanten des elektromagnetischen Feldes, die Photonen, haben die Ruhemasse Null, deshalb ist die Reichweite der elektromagnetischen Wechselwirkung unbegrenzt. Nach Abschätzung der Ruhemasse aus der Reichweite, konnten die Pionen als Träger der Kernwechselwirkung identifiziert werden.

Abbildung: Feynmandiagramm für den Pionaustausch zwischen zwei Nukleonen (li)

Hideki YUKAWA (japanischer Physiknobelpreisträger, 1907 - 1981) schlug 1938 in Analogie zum elektromagnetischen Feld eine Differentialgleichung für das Feld der Kernkraft vor. Das Nukleon-Nukleon-(Yukawa)-Potential fällt jedoch schneller ab als das elektromagnetische und wirkt für kurze Abstände abstoßend, was die endliche Dichte von Atomkernen erklärt.

Abbildung: Schematische Darstellung des Potentials zwischen zwei Nukleonen

Der komplexe Charakter der Kernkräfte für Abstände unter 1,2 fm weist darauf hin, dass für Abstände, bei denen sich die Nukleonen zu überlappen beginnen, der Aufbau der Nukleonen aus Quarks nicht mehr vernachlässigt werden kann. Eine fundamentalere Kraft kommt ins Spiel, die Farbkraft zwischen den Quarks, die eigentliche Ursache der starken Wechselwirkung.