Warum Neutronen schwerer sind als Protonen

Wuppertal/Budapest (Ungarn) - Alle Atomkerne bestehen - mit der Ausnahme von Wasserstoff - aus Neutronen und Protonen. Ein Neutron ist dabei ein wenig schwerer als ein Proton. Dieser Unterschied von nur 0,14 Prozent ist jedoch essentiell für die Existenz unseres Universums. Mit neuen Berechnungen auf der Basis der gültigen Modellen konnte ein internationales Team von Physikern diesen Unterschied mit der bisher höchsten Genauigkeit bestimmen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, ließen sich damit auch die Ursachen für die unterschiedliche Masse von Proton und Neutron näher erklären.

„Unsere Existenz hängt von dieser winzigen Massendifferenz ab“, sagt Zoltán Fodor von der Eötvös Universität in Budapest, der derzeit an der Universität Wuppertal arbeitet. Wäre das Neutron um mehr als 1,3 Megaelektronenvolt, der gängigen Einheit für die Teilchenmasse, schwerer als das Proton, wären die Fusionsprozesse in den Sternen und die Bildung von schweren Elementen deutlich unwahrscheinlicher. Wäre das Neutron hingegen leichter als beobachtet, wären Wasserstoffatome instabil. Um die Massendifferenz genauer zu ermitteln, führte Fodor zusammen mit deutschen, britischen und französischen Physikern umfangreiche Berechnungen durch.

Diese Computer-Simulationen basierten auf den zwei grundlegenden Theorien der Teilchenphysik: der Quantenchromodynamik (QCD) und der Quantenelektrodynamik (QED). Dabei beachteten die Forscher nicht nur den Aufbau von Neutron und Proton aus zwei down-Quarks und einem up-Quarks respektive einem down-Quark und zwei up-Quarks. Auch die in den Teilchen wirkenden Kräfte gingen mit hoher Präzision in die Rechnungen ein. Das Ergebnis: Die Ungenauigkeit für den Massenunterschied beträgt nur noch 0,3 Megaelektronenvolt.

Verantwortlich für den Massenunterschied machen die Forscher die Wechselwirkung von mehr oder weniger starken Kräfte im jeweiligen Quark-Triplett. In ihren Simulationen berücksichtigten sie die relativ weitreichenden elektromagnetischen Kräfte und die Auswirkungen des sogenannten Isospins der beteiligten Quarks (up: +1/2, down: -1/2). Der Isospin ist eine Quantenzahl, um die Symmetrie von Teilchen unter der nicht weit reichenden, starken Wechselwirkung zu beschreiben. Beide Komponenten führten schließlich zu dem genauen Ergebnis, das sehr gut bis experimentellen Massenbestimmungen von Neutron und Proton übereinstimmt.