Experimente in der Hadronenphysik haben das präzise Vermessen der aus Quarks zusammengesetzten Systeme und das Studium der beteiligten fundamentalen Teilchen und Kräfte zum Ziel. (Was ein Quark überhaupt ist, wird weiter unten erklärt...)

Das Forschungsprogramm des P̅ANDA-Experiments beinhaltet u. a. den Nachweis und die Vermessung von bisher nicht beobachteten, im Rahmen der Theorie der starken Wechselwirkung vorhergesagten exotischen Teilchen, z. B. Glueballs und Hybride (wird ebenfalls noch erklärt). Über das Studium von verschiedenen zusammengesetzten Quarkssystemen (insbesondere Charmonium) und deren Produktions- und Zerfallsmechanismen soll weiterhin die schwache und die starke Wechselwirkung untersucht werden. Weitere Punkte beinhalten Untersuchungen zur inneren Struktur von Hadronen und die Eigenschaften von Hadronen in Materie.

Details zu diesen Schwerpunkten werden auf dieser Seite (Grundbegriffe) und der folgenden Seite (Schwerpunkte) zusammengefasst.

Zwischen den größten Strukturen im Universum wie Galaxien (10²¹ m) bis hin zu den elementaren Teilchen (10^-18 m) liegen 40 Größenordnungen.

Die Exponentialschreibweise mit einer 10 und einer hochgestellten Zahl (wie hier das „x“ in „10ˣ“) wird in der Naturwissenschaft häufig verwendet, um sehr große oder sehr kleine Zahlen übersichtlich aufzuschreiben.
Allgemein bedeutet ein Exponent, dass die davorstehende Zahl so oft mit sich selbst multipliziert werden soll, also zum Beispiel 10¹ = 10, 10² = 10 × 10 = 100 und 10³ = 10 × 10 × 10 = 1.000. Ist der Exponent positiv, so bedeutet 10ˣ praktisch eine 1 mit x Nullen. 10⁰ ist per Definition gleich 1.
Ein negativer Exponent bedeutet zusätzlich noch, dass man nach der Berechnung wie bei positiven Exponenten den Kehrwert nehmen muss, also 10⁻¹ = ¹/₁₀ = 0,1; 10⁻² = ¹/₁₀₀ = 0,01; 10⁻³ = ¹/₁₀₀₀ = 0,001 usw. Praktisch bedeutet 10⁻ˣ also Null Komma x–1 Nullen Eins.

Die Kernbausteine (Nukleonen) eines Atoms, das Proton und das Neutron, sind nicht elementar, sondern setzen sich ihrerseits aus Quarks zusammen. Nach heutigem Kenntnisstand besitzen die Quarks selbst keine weitere Substruktur, Quarks sind also Elementarteilchen. Die negativ geladenen Bestandteile der Atomhülle, die Elektronen, gehören zur Gruppe der Leptonen, und sind ebenfalls elementare Teilchen.

Es wird zwischen mehreren Gruppen von fundamentalen Teilchen unterschieden: Quarks, Leptonen und Eichbosonen. Von den beiden erstgenannten Gruppen existieren jeweils sechs verschiedene Teilchen, die sich u.a. in ihrer Masse und der elektrischen Ladung unterscheiden. Zu jedem Teilchen gibt es ein entsprechendes Antiteilchen mit entgegengesetzten Eigenschaften (z.B. eine umgekehrte elektrische Ladung), aber mit gleicher Masse. Aus Mitgliedern dieser Teilchengruppen setzt sich die bekannte stabile und instabile Materie zusammen. Die dritte Gruppe (Eichbosonen) enthält Teilchen, die die fundamentalen Wechselwirkungen vermitteln.

Das Vermitteln oder Übertragen der Wechselwirkungen durch Teilchen ist mit den Erfahrungen aus der Alltagswelt schwer vorstellbar. Das folgende Beispiel soll den Prozess etwas anschaulich machen:
Anton wirft einen schweren Medizinball zu Beate. Anton wird durch das Werfen nach hinten gestoßen, Beate durch das Fangen ebenfalls. Anton und Beate haben sich sozusagen abgestoßen und der Medizinball hat diese Wechselwirkung übertragen. In der Welt der Elementarteilchen ist es nun auch möglich, dass Anton und Beate beim Werfen bzw. Fangen nach vorne gezogen werden, was mit einem Ball nicht funktionieren würde. Dies entspricht dann der anziehenden Wechselwirkung.

Für die Masse wird hierbei die in der Hadronenphysik gebräuchliche Einheit Elektronenvolt pro Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat (eV/c²) verwendet. Ein MeV/c² = 1.000.000 eV/c² (MeV → Megaelektronenvolt) entspricht umgerechnet 1,8 × 10⁻³⁰ kg. Die Ladung ist als Vielfaches der Elementarladung e = 1,602 × 10⁻¹⁹ C angegeben. Im Falle der Neutrinos sind zur Zeit nur obere Grenzen für die Massenwerte bekannt.

Bei den fundamentalen Wechselwirkungen handelt es sich um die Gravitation sowie die elektromagnetische, die schwache und die starke Wechselwirkung. Die Übertragung erfolgt durch den Austausch von Mittlerteilchen, den sogenannten Eichbosonen, die an entsprechende Ladungen an den Elementarteilchen koppeln.

Die Gravitation, bekannt auch als Schwerkraft, dominiert in der alltäglichen Erfahrung aufgrund ihrer Nichtabschirmbarkeit und der unendlichen Reichweite, ist aber in der Teilchenphysik aufgrund der vergleichsweise sehr geringen Stärke nicht von Bedeutung. Es ist auch noch nicht gelungen, die Schwerkraft in einer vereinheitlichten Theorie zusammen mit den anderen Kräften zu beschreiben. In Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, der aktuell besten physikalischen Beschreibung der Gravitation, wir die Schwerkraft nicht als Wechselwirkung zwischen Materieteilchen beschrieben, sondern als Geometrie der vierdimensionalen Raumzeit, die durch die Anwesenheit von Masse gekrümmt werden kann.

Die elektromagnetische Wechselwirkung vermittelt Kräfte zwischen elektrisch geladenen Teilchen. Das entsprechende Mittlerteilchen ist das Photon, das auch als Überträger der elektromagnetischen Strahlung (z.B. Licht, Mikro- und Radiowellen, Röntgenstrahlung) bekannt ist. Diese Kraft ist für den Zusammenhalt von Molekülen und die Bindung der Elektronenhülle an den Atomkern verantwortlich. Wenn man irgendetwas sieht, liegt das daran, dass elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen etwa 380 nm und 780 nm in das Auge fällt. Auch jegliche drahtlose Kommunikation (WLAN, Bluetooth, Mobilfunk, NFC, Satelliten-Ortung, usw.) basiert auf elektromagnetischer Strahlung.

Teilchenzerfälle, z.B. der radioaktive β⁻-Zerfall eines Neutrons, finden unter dem Einfluss der schwachen Wechselwirkung statt. Mittlerteilchen sind die W- und Z-Bosonen. Im Allgemeinen ist die schwache Wechselwirkung immer dann beteiligt, wenn sich ein Teilchen in eine andere Teilchensorte umwandelt. Bei dem β⁻-Zerfall des Neutrons wird bspw. ein Down-Quark in ein Up-Quark umgewandelt.

Die starke Wechselwirkung wirkt zwischen Teilchen mit starker Ladung (der sogenannten Farbladung) und ist u.a. für den inneren und äußeren Zusammenhalt der Kernbausteine eines Atoms verantwortlich. Es handelt sich dabei um die stärkste der vier Kräfte – daher existieren z.B. stabile Atomkerne, obwohl diese mit den Protonen positiv geladene Nukleonen, die sich gegenseitig abstossen, enthalten. Da die Reichweite dieser Kraft nur einen Atomkerndurchmesser beträgt (10⁻¹⁵ m = 1 Femtometer), wird sie in der Alltagswelt nicht direkt wahrgenommen. Die Wechselwirkung findet über den Austausch von Gluonen statt.

Der Begriff „Farbladung“ ist dabei nur eine Analogie zur Farbenlehre und nicht wörtlich zu nehmen – Quarks sind so klein, dass sie gar keine Farbe im alltäglichen Sinne haben können.

Grundlage ist dabei die additive Farbmischung, die immer dann zum Tragen kommt, wenn das bunte Objekt selbst leuchtet, wie bspw. ein Computermonitor. Die Grundfarben der additiven Farbmischung sind rot, grün und blau, da es im Auge Rezeptoren für diese drei Farben gibt. Sind alle drei Farben gleich stark vertreten, erscheint das Objekt in unserer Wahrnehmung weiß. Gibt das Objekt rot und grün etwa gleich stark ab und blau nicht, so erscheint es uns gelb. (Wenn man mit Buntstiften oder anderen Farben auf Papier malt, so leuchtet das Papier nicht selbst, sondern die Farbe verschluckt (absorbiert) einen Teil des Lichtes, das von anderswo auf das Papier fällt. Daher hat man dort subtraktive Farbmischung und die Grund- und Mischfarben sind umgekehrt zur additiven Farbmischung.)

Aus Quarks zusammengesetzte Teilchen werden generell Hadronen genannt. Man unterscheidet zwischen Baryonen (bestehen aus 3 Quarks, z.B. die Nukleonen Proton und Neutron) und Mesonen (aufgebaut aus einem Quark-Antiquark-Paar, z. B. das aus der Höhenstrahlung bekannte Pion). Der Zusammenhalt der Bausteine erfolgt über die starke Wechselwirkung durch den Austausch von Gluonen, die an die Farbladung, die jedes Quark zusätzlich zur elektrischen Ladung trägt, koppeln. Die genaue Beschreibung der inneren Struktur von Hadronen ist jedoch komplizierter, da neben den Valenzquarks die im vorherigen Abschnitt beschriebenen Seequarks berücksichtigt werden müssen.

Im Bezug zur Farbladung spricht man von roten, grünen und blauen Quarks, wobei das wie oben erklärt nur eine Analogie zur Farbenlehre ist. Eine Grundregel der starken Wechselwirkung ist, dass es keine einzelnen Quarks geben darf, sondern Quarks immer in einem gebundenen System mit anderen Quarks existieren, das nach außen hin „weiß” ist, also dass die Farbladungen der beteiligten Quarks zusammen weiß ergeben müssen. Dieses Prinzip heißt in der Hadronenphysik „Confinement“. In einem Baryon gibt es also immer genau ein rotes, ein grünes und ein blaues (Valenz-) Quark.

Antiquarks tragen als Farbladung eine so genannte Antifarbe, also antirot, antigrün oder antiblau. Auch diese drei addieren sich zu weiß, in einem Antibaryon gibt es also genau ein antirotes, ein antigrünes und ein antiblaues Antiquark. Die Antifarben werden häufig auch mit den Mischfarben der additiven Farbmischung gleichgesetzt, also antirot = cyan (denn cyan ist die Mischung aus grün und blau, enthält also kein rot), antigrün = magenta (magenta = rot + blau) und antiblau = gelb (gelb = rot + grün). Ein Meson enthält daher immer ein Quark einer Farbe und ein Antiquark der entsprechenden Antifarbe, also z. B. blau und antiblau = gelb, was zusammen wieder weiß ergibt.

Theoretische Modelle sagen weiterhin die mögliche Existenz sogenannter exotischer Materie voraus, die eine andere Zusammensetzung als Baryonen oder Mesonen aufweisen.

Hierzu zählen z.B. Gluebälle: Da die Gluonen auch selbst Farbladungen tragen, ist im Gegensatz zu den neutralen Photonen zusätzlich eine Selbstwechselwirkung dieser Mittlerteilchen möglich. Dies ermöglicht Zustände, die keinen Quarkanteil besitzen, sondern rein aus Gluonen bestehen. Bei den Hybriden handelt es sich um Quark-Antiquark-Paare mit einer zusätzlichen gluonischen Anregung. Tetra- und Pentaquarks setzen sich aus zwei Quark-Antiquark-Paaren bzw. vier Quarks und einem Antiquark zusammen. Molekülartige Zustände schließlich sind schwach gebundene Hadronenpaare.