Quarkkonfinement

Quarkkonfinement (auch Farbkonfinement) bezeichnet in der Quantenchromodynamik (QCD) das beobachtete Phänomen, dass Quarks und Gluonen nicht als freie Teilchen auftreten, sondern nur in farbneutralen Zuständen wie Mesonen (Quark-Antiquark) und Baryonen (drei Quarks) vorkommen. Die Farbladung ist in der QCD die Ursache: Die starke Kopplung wächst mit zunehmender Distanz, wodurch sich Farbladungen nicht isoliert freisetzen lassen.

Theoretisch lässt sich das Konfinierungsverhalten durch ein zunehmend lineares Potenzial zwischen Farbresten beschreiben, das sich mit der Distanz erhöht und zu Flux-Tubes führt. Bei sehr kurzen Abständen gilt dagegen die Asymptotische Freiheit: Die Kopplung wird klein und die Wechselwirkung ist perturbativ beherrschbar.

In Phasen beschreibt man die konfinierte Phase bei niedrigen Temperaturen und Dichten. Bei höheren Temperaturen oder Dichten geht die Theorie in eine dekonfinierte Phase über, das sogenannte Quark-Gluon-Plasma (QGP). Dieses Stadium tritt unter anderem in Schwerionenkollisionen auf und spielt eine Rolle in der frühe-n Universum- und in der Dichterenasterphysik.

Theoretisch und numerisch wird Konfinement unter anderem durch Lattice QCD untersucht. In der rein glatten Yang-Mills-Theorie dient die Polyakov-Schleife als Ordnungsparameter für die Dekonfinierung; in QCD mit dynamischen Quarks ist sie kein exakterer, aber dennoch hilfreicher Indikator. Experimentell stützt sich der Befund auf Hadronenspektren, Jets und Signaturen eines QGP in Hochenergie-Kollisionen.

Quarkkonfinement bleibt ein fundamentales Merkmal der starken Wechselwirkung und hat Folgen für das Verständnis des frühen Universums sowie der Struktur dichter Materie.