Spin

Eigenschaft von Teilchen.

Ein meteorologischer Exkurs. Im Winter ist Winter und im Sommer eben Sommer. Das ist keineswegs selbstverständlich, sondern liegt daran, dass die Erde schief um die Sonne läuft. Ihre Drehachse um sich selbst ist um gut 23 Grad geneigt. Deswegen zeigt im Sommer die Nordhalbkugel zur Sonne und im Winter ist dann der Süden dran. Mit den bekannten Auswirkungen auf Bademodenindustrie und Skiverleiher. Prinzipiell ist aber auch jede andere Neigung denkbar: Wäre die Achse überhaupt nicht gekippt, gäbe es keinen Unterschied zwischen Sommer und Winter. Bei einer Neigung um neunzig Grad hieße Winter vollkommene Dunkelheit und Eiseskälte. Im Sommer würden dann zum Ausgleich die Meere verdampfen. Mit den 23 Grad haben wir es also eigentlich ganz gut erwischt. In der Quantenwelt ist es vorbei mit diesen Freiheiten. Auch Teilchen verhalten sich so, als ob sie sich um sich selbst drehen. Hier heißt die Eigendrehung Spin und ist als quantentheoretische Größe gequantelt: Für die Neigung der Spinachse kommen nur bestimmte Winkel in Frage.

Die Materieteilchen können aus zwei Spineinstellungen wählen. Bei den Wechselwirkungsteilchen sind es drei.

Den Elektronen stehen nur zwei Spin-Einstellungen zur Verfügung. Entweder nach oben oder nach unten. Ein Dazwischen gibt es nicht. Eine Schallplatte hat ja auch nur zwei Seiten. Nur wenn eine der beiden auf einem Plattenspieler nach oben zeigt, spielt die Musik. Auch Quarks besitzen zwei solcher Einstellungen. Es gibt nun auch Teilchen, die aus drei und mehr möglichen Einstellungen wählen können. Und dann sogar auch noch Gesellen, die nur eine Einstellung besitzen - wie bei der CD.

Der Spin zusammengesetzter Teilchen

Auch zusammengesetzte Teilchen besitzen einen Spin. Der Spin eines Atoms setzt sich aus denen des Kerns und der Elektronen zusammen. Der Spin des Kerns aus den Neutronen und Protonen. Und der eines Protons wiederum aus denen seiner Bestandteile. Als man das überprüfen wollte, kam es vorne und hinten nicht hin. Das Proton muss aus mehr Teilchen als nur drei Quarks bestehen. Und in der Tat: es gibt da noch zahlreiche Gluonen, die Klebeteilchen der starken Wechselwirkung, und auch noch Quark-Antiquark-Paare, die ständig entstehen und wieder vergehen. So ein Proton lebt. Und wie sich das Protonenchaos zu einem ganzen zusammenfügt, wird am Experiment HERMES bei DESY untersucht.

Der Spin in Zahlen

Den Spin eines Teilchens gibt man in halbzahligen oder ganzzahligen Vielfachen des Planckschen Wirkungsquantums an: 0 h/2Pi, 1/2 h/2Pi, 1 h/2Pi, 3/2 h/2Pi usw. Materieteilchen wie Elektronen und Quarks haben einen Spin von 1/2 h-quer. Sie heißen damit auch Fermionen.