Entscheidender Unterschied: Wäre das Proton nicht ein wenig leichter als das Neutron, würde unser Universum völlig anders aussehen. Wie diese winzige Massendifferenz zustande kommt, haben Forscher nun erstmals genau berechnet. Das Ergebnis bestätigt die Theorie der starken Wechselwirkung und zeigt, wie fein abgestimmt unser Universum bis in seine kleinsten Bausteine ist, so die Physiker im Fachmagazin „Science“.
Die Existenz und Stabilität von Atomen hängt ganz entscheidend davon ab, dass Neutronen etwas schwerer sind als Protonen. Die experimentell ermittelten Massen unterscheiden sich nur um etwa 1,4 Promille. Würde die Differenz nur ein wenig davon abweichen, so ergäbe sich ein völlig anderes Universum mit zu vielen Neutronen, zu wenig Wasserstoff oder einem Mangel an schweren Elementen.
Quark-Bewegungen und Ladungseffekte
Der Grund für die winzigen Unterschiede liegt in den Quarks, den Bausteinen der Protonen und Neutronen: Protonen bestehen aus zwei sogenannten Up-Quarks und einem Down-Quark, während Neutronen nur ein Up-Quark, dafür aber zwei Down-Quarks enthalten. Vor allem die Bewegung dieser Quarks sorgt gemäß Einsteins Formel E=mc2 für verschiedene Massen. Unklar war aber bisher, inwieweit dieser winzige Unterschied durch Wechselwirkungen mit der Ladung des Protons wieder ausgeglichen wird.
Zoltán Fodor von der Universität Wuppertal und seine Kollegen haben nun die winzige Massendifferenz und ihr Zustandekommen auf bisher genaueste Weise errechnet. Ihre neue Klasse von Simulationsverfahren vereint die Gesetze der Quantenchromodynamik mit denen der Quantenelektrodynamik, um die Auswirkungen der elektromagnetischen Wechselwirkungen präzise zu erfassen. Möglich wurde die aufwändige Kalkulation mit Hilfe des Supercomputers JUQUEEN am Forschungszentrum Jülich.
