Bilder von Qashqaiilove – Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.
Das blaue Quark oben sendet also ein Gluon aus und wird dabei grün. Das ausgesandte Gluon trägt die blaue Ladung dann zum Quark links unten, das entsprechend blau wird. Das aussendende Quark bleibt aber nicht farblos zurück, weil das ausgesandte Gluon nicht bloß eine blaue Farbladung trägt, sondern auch noch eine zweite Farbladung, nämlich Anti-grün. Anti-grün stellt man über die Komplementärfarbe von grün da, also über magenta. Wenn das ursprüngliche blaue Quark ein blau-anti-grünes Gluon aussendet, dann muss es selbst grün werden, sonst wäre die Farbladung nicht konstant – das ist sie aber. Genau wie die elektrische Ladung ist auch die Farbladung eine Erhaltungsgröße.
In einem Neutron wechseln die einzelnen Quarks also ständig die Farbe, indem sie Gluonen austauschen. Hier noch einmal eine kleine Animation dazu:
“Neutron QCD Animation” by Qashqaiilove – Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.
Tatsächlich – wen wundert’s – ist diese Darstellung stark vereinfacht. In Wahrheit sind die einzelnen Quarks in einem Neutron in quantenmechanischen Überlagerungszuständen aus unterschiedlichen Farbladungen zu finden; und dasselbe gilt auch für die Gluonen. Wikipedia erklärt das genauer, aber ich gehe hier darauf nicht weiter ein.
Entscheidend ist, dass die Gluonen selbst auch eine – komplizierte – Farbladung tragen. Das bedeutet, dass auch zwei Gluonen miteinenander ein Gluon austauschen und so miteinander wechselwirken können. Gluonen ziehen sich also gegenseitig an.
Elektrische Wechselwirkungen veranschaulicht man ja gern über elektrische Felder, so wie in dieser schicken Darstellung:
Das Feld breitet sich dabei stark nach Außen aus und auch in großer Entfernung ist es noch zu messen (auch wenn das Feld eines Dipols nach Außen schneller abfällt als das einer einzelnen Ladung). Bei den Gluonen ist das anders – dadurch, dass die Gluonen sich gegenseitig anziehen, sind die Feldlinien zusammengedrängt, so wie in diesem Bild hier:
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“Qcd fields field (physics)” by Maschen – Own work. Licensed under CC0 via Wikimedia Commons.
Oben in der Mitte seht ihr die Situation in einem Proton oder Neutron, oben rechts in einem Anti-Proton oder Anti-Neutron, wo alle Farben durch ihre entsprechenden Antifarben ersetzt sind (anti-blau ist gelb, anti-rot ist cyan). Unten im Bild seht ihr eine alternative Möglichkeit, Teilchen zusammenzubasteln – indem man nämlich ein Quark mit einer Farbladung und ein Anti-Quark mit der entsprechenden Anti-Farbladung kombiniert. Solche Teilchen sind zum Beispiel die oben schon erwähnten Pionen. Aus einem up und einem anti-down-Quark (mit jeweils entgegengesetzter Farbe) könnt ihr ein Pion mit einer positiven Ladung zusammenbasteln. Dabei sendet dann z.B. ein rotes Quark, das mit einem anti-roten Anti-Quark wechselwirken will, ein Gluon aus, das eine rot-anti-rote Farbladung trägt. (Auch hier ist die Darstellung wieder vereinfacht – in Wahrheit sind die Quarks und Gluonen in einem Pion auch immer in Überlagerungszuständen aus unterschiedlichen Farben, aber für’s prinzipielle Verständnis ist das nicht so wichtig.)
Was ihr an den Feldlinien seht, ist, dass sich die Felder eben nicht stark nach außen ausbreiten können, weil die Gluonen zu stark zusammenhalten. Deswegen hat die Kraft, die die Gluonen vermitteln, nur eine sehr kurze Reichweite. Und dieser Zusammenhalt der Gluonen ist auch der Grund, warum wir in der Natur niemals “farbige” Teilchen beobachten. Versucht man beispielsweise, ein Pion auseinanderzureißen, dann braucht man viel Energie, um die “Feldlinien” der Gluonen zu strecken (weil die Gluonen sich eben anziehen und deshalb eng zusammenballen wollen), und am Ende steckt man so viel Energie rein, dass sich einfach ein Teilchen-Antiteilchen-Paar bildet:
“Gluon tube-color confinement animation” by Manishearth – Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.
In der Natur beobachten wir also nur farbneutrale Teilchen. (Naja, soweit ich weiß gibt es eine Ausnahme für top-Quarks, die zerfallen so schnell, dass sie auch isoliert auftreten können, ohne einen Partner, der die Farbneutralität herstellt.) Und wenn man sich nach den Regeln, die wir jetzt angeguckt haben, überlegt, wie man Quarks kombinieren kann, dann gehen im wesentlichen zwei Kombinationen: Entweder Quark und Antiquark – jeweils mit der passende Farbe und Anti-Farbe, oder aber drei Quarks in den drei Farben (und entsprechend drei Anti-Quarks mit passender Anti-Farbe). Die Teilchen mit den zwei Quarks nennt man “Mesonen”, die mit den drei Quarks “Baryonen”.
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