Quark (Physik)

Quarks innerhalb eines Protons Ein Proton besteht aus zwei Up-Quarks, einem Down-Quark sowie den Gluonen, die die Kräfte vermitteln, die sie miteinander verbinden. Die Farb­ladungen der einzelnen Quarks, willkürlich „Rot“, „Blau“ und „Grün“ genannt, wechseln durch Gluonen­austausch fortwährend, wobei sich die Farben insgesamt stets aufheben („weiß“).

Klassifikation	Elementarteilchen
Statistik	Fermionisch
Generation	1., 2., 3.
Wechselwirkungen	Elektromagnetismus, Gravitation, stark, schwach
Symbol	$q$
Antiteilchen	Antiquark (${\bar {q}}$)
Theoretisiert	Murray Gell-Mann (1964), George Zweig (1964)
Entdeckt	SLAC (c. 1968)
Arten	6 (up, down, strange, charm, bottom, und top)
Elektrische Ladung	$+{\tfrac {2}{3}}e$, $-{\tfrac {1}{3}}e$
Farbladung	Ja
Spin	${\tfrac {1}{2}}$
Baryonenzahl	${\tfrac {1}{3}}$

Quarks (kwɔrks, kwɑːks oder kwɑrks) sind Elementarteilchen und fundamentale Bestandteile der Materie. Quarks verbinden sich zu zusammengesetzten Teilchen, die Hadronen genannt werden. Hierzu gehören die Protonen und Neutronen, die Bestandteile der Atomkerne. Aufgrund eines Phänomens, das als Confinement bekannt ist, werden Quarks nie isoliert gefunden, sondern nur gebunden in Hadronen oder in Quark-Gluon-Plasmen.

Quarks haben verschiedene intrinsische Eigenschaften, darunter elektrische Ladung, Masse, Farbladung und Spin. Sie sind die einzigen Elementarteilchen im Standardmodell der Teilchenphysik, die allen vier fundamentalen Wechselwirkungen (Elektromagnetismus, Gravitation, starke Wechselwirkung und schwache Wechselwirkung) unterliegen, sowie die einzigen Teilchen, deren elektrische Ladungen keine ganzzahligen Vielfachen der Elementarladung sind.

Es gibt sechs Arten von Quarks, die als „Flavours“ bezeichnet werden: up, down, charm, strange, top und bottom. Protonen und Neutronen sind aus Up- und Down-Quarks zusammengesetzt, den Quarks mit der am Abstand geringsten Masse. Die schwereren Quarks treten nur in sehr kurzlebigen Hadronen auf, die bei hochenergetischen Kollisionen (z. B. mit kosmischer Strahlung und in Teilchenbeschleunigern) entstehen und durch die Schwache Wechselwirkung zerfallen. Zu jedem Quark-Flavor gibt das entsprechend Antiteilchen (Antiquarks), dessen elektrische Ladung und andere Quantenzahlen entgegengesetzte Vorzeichen haben.

Das Quark-Modell wurde 1964 unabhängig voneinander von den Physikern Murray Gell-Mann und George Zweig vorgeschlagen. Quarks in drei Flavours wurden dabei als Teil eines Ordnungsschemas für Hadronen eingeführt. Den ersten klaren Hinweise auf ihre physikalische Existenz ergaben sich aus Experimenten tief inelastischer Streuung im Jahr 1968. In der Folge wurde aufgrund theoretischer Überlegungen zunächst ein vierter und später noch zwei weitere Flavors postuliert. Alle sechs Flavors wurden experimentell nachgewiesen, als letztes das Top-Quark 1995.

Eigenschaften

Gene­ration	Name	Sym­bol	Ladung(e)	Flavour- Quanten­zahlen	Masse (MeV)
1	Up	u	+2⁄3	Iz = +1⁄2	000002,16$_{-0{,}26}^{+0{,}49}$
	Down	d	−1⁄3	Iz = −1⁄2	000004,67$_{-0{,}17}^{+0{,}48}$
2	Charm	c	+2⁄3	C = +1	001270 ± 20
	Strange	s	−1⁄3	S = −1	000093$_{-5}^{+11}$
3	Top	t	+2⁄3	T = +1	172900 ± 400
	Bottom	b	−1⁄3	B' = −1	004180$_{-20}^{+30}$

Flavours

Die Quarks treten in 6 „Flavours“ (englisch Geschmacksrichtung, amerik. Englisch flavor) auf, genannt up (u), down (d), strange (s), charm (c), bottom (b) und top (t). Diese Flavours werden durch die Quantenzahlen Isospin (I), Strangeness (S), Charm (C), Bottomness (B′) und Topness (T) beschrieben.

Die Flavours unterscheiden sich bezüglich der Masse, der elektrischen Ladung und der schwachen Wechselwirkung; andere Eigenschaften, wie Spin und Farbladung, haben alle Flavours gleichermaßen. Die sechs Flavours werden in drei „Generationen“ gruppiert. Alle Suchen nach einer vierten Generation von Quarks und anderen elementaren Fermionen sind gescheitert, und es gibt starke indirekte Hinweise darauf, dass nicht mehr als drei Generationen existieren.

Antiteilchen von Quarks werden Antiquarks genannt und durch einen Querstrich über dem Symbol für das entsprechende Quark bezeichnet, z. B. u für ein up-Antiquark. Wie bei der Antimaterie im Allgemeinen haben Antiquarks die gleiche Masse, mittlere Lebensdauer und Spin wie ihre jeweiligen Quarks, aber die elektrische Ladung und andere Ladungen haben das entgegengesetzte Vorzeichen.

Masse

Massen der Quarks im Vergleich, dargestellt als Kugeln (nicht Kreise!) mit proportionalem Volumen. Proton (grau) und Elektron (rot) sind in der unteren linken Ecke als Maßstab dargestellt.

Die 6 Flavours (Sorten) von Quarks haben sehr unterschiedliche Massen, die Unterschiede erreichen fast 5 Größenordnungen.

Ein großer Teil der Masse von Hadronen (gebundenen Quarksystemen) stammt nicht von den konstituierenden Quarks, sondern von dem Gluon-Quantenfeld, das die Kräfte zwischen den Quarks vermittelt. Ein Proton hat zum Beispiel eine Masse von etwa 938 MeV/c², zu der Masse seiner drei Valenzquarks aber nur etwa 9 MeV/c² beiträgt; ein Großteil des Rests ist auf die Feldenergie der Gluonen zurückzuführen (Äquivalenz von Masse und Energie). Daher unterscheidet man zwischen den Stromquarks („nackte“ Quarks) und den Konstituentenquarks („effektive“ Quarks in Hadronen). Für die schweren Flavours c und b ist der Unterschied zwischen Strom- und Konstituentenquarkmasse vergleichsweise gering. Die in der Tabelle angegebenen Massen sind die der Stromquarks.

Das Standardmodell postuliert, dass die Elementarteilchen ihre Massen aus dem Higgs-Mechanismus ableiten, der mit dem Higgs-Boson verbunden ist. Man hofft, dass die weitere Erforschung der Gründe für die große Masse des Top-Quarks von ≈ 173 GeV/c², was fast der Masse eines Goldatoms entspricht, mehr über den Ursprung der Masse von Quarks und anderen Elementarteilchen verraten könnte.

Größe

In der QCD werden Quarks als punktförmige Entitäten betrachtet, mit einer Größe von Null. Bislang konnten keine Hinweise für eine von Null abweichende Größe gefunden werden. Experimentelle Befunde liefern eine obere Grenze 10⁻¹⁹ m, was dem 10⁻⁴-fachen der Größe eines Protons entspricht.

Spin

Der Spin ist eine intrinsische Eigenschaft von Elementarteilchen, und seine Richtung ist ein wichtiger Freiheitsgrad. Er wird manchmal als die Rotation eines Objekts um seine eigene Achse visualisiert (daher der Name „Spin“), obwohl diese Vorstellung auf subatomaren Skalen etwas irreführend ist, da Elementarteilchen als punktförmig angesehen werden. Quarks haben den Spin ½ ℏ (wobei ℏ die reduzierte Planck-Konstante ist. Sie sind also Fermionen (Teilchen mit halbzahligem Spin).

Starke Wechselwirkung und Farbladung

Alle Arten von Hadronen (qqq, qqq, qq) haben insgesamt die Farbladung Null.

Siehe auch: Farbladung und starke Wechselwirkung

Quarks besitzen eine Eigenschaft, die Farbladung genannt wird. Es gibt drei Arten von Farbladungen, die willkürlich als „blau“, „grün“ und „rot“ bezeichnet werden. Jede von ihnen wird durch eine Antifarbe ergänzt – „antiblau“, „antigrün“ und „antirot“. Jedes Quark trägt eine Farbe, während jedes Antiquark eine Antifarbe trägt. Das System der Anziehung und Abstoßung zwischen Quarks, die mit verschiedenen Kombinationen der drei Farben geladen sind, wird als starke Wechselwirkung bezeichnet, die durch krafttragende Teilchen, die als Gluonen bekannt sind, vermittelt wird. Die Theorie, die die starke Wechselwirkung beschreibt, wird Quantenchromodynamik (QCD) genannt. Eine Farbladung und ihre Antifarbe (z. B grün und antigrün) heben sich zu einem ungeladenen („weißen“) Zustand auf. Dies ist analog zur elektromagnetischen Wechselwirkung, bei der eine positive und eine negative Ladung insgesamt zu einem ungeladenen System führen. Eine Kombination aus den drei Farben oder aus den drei Antifarben ist ebenfalls „weiß“. Dies erinnert an die additiven Farbmodell in der Grundlagenoptik und war der Grund für die Bezeichnung „Farbladung“.

Es ist eine empirische (und mittlerweile theoretisch gut untermauerte), dass nur farbneutrale („weiße“) Teilchen isoliert existieren können. Dies sind Quark-Antiquark-Kombinationen (qq – Mesonen), Kombinationen aus drei Quarks (qqq – Baryonen) oder drei Antiquarks (qqq – Antibaryonen), nicht aber einzelne Quarks. Dieses Phänomen nennt man „Confinement“.

In der modernen Teilchenphysik beziehen sich Eichsymmetrien – eine Art Symmetriegruppe – auf Wechselwirkungen zwischen Teilchen (siehe Eichtheorien). Die Farb-SU(3) (üblicherweise abgekürzt als SU(3)_c) ist die Eichtransformationssymmetrie, die die Farbladung in Quarks betrifft und die definierende Symmetrie für die Quantenchromodynamik ist. Genauso wie die Gesetze der Physik unabhängig davon sind, welche Richtungen im Raum mit x, y und z bezeichnet werden und unverändert bleiben, wenn die Koordinatenachsen in eine neue Orientierung gedreht werden, ist die Physik der Quantenchromodynamik unabhängig davon, welche Richtungen im dreidimensionalen Farbraum als blau, rot und grün bezeichnet werden. SU(3)c-Farbtransformationen entsprechen „Drehungen“ im Farbraum (der, mathematisch gesehen, ein komplexer Raum ist). Jeder Quark-Flavor f, jeweils mit den Untertypen f_B, f_G, f_R, die den Quark-Farben entsprechen, bildet ein Triplett: ein Drei-Komponenten-Quantenfeld, das unter der fundamentalen Darstellung von SU(3)_c transformiert. Die Anforderung, dass SU(3)_c lokal sein muss – das heißt, dass seine Transformationen mit Raum und Zeit variieren dürfen – bestimmt die Eigenschaften der starken Wechselwirkung. Insbesondere impliziert sie die Existenz von acht Gluonentypen, die als deren Kraftträger fungieren.

Elektrische Ladung

Quarks haben gebrochene elektrische Ladungswerte. Up-, Charm- und Top-Quarks haben eine Ladung von +²⁄₃ e, während Down-, Strange- und Bottom-Quarks eine Ladung von −¹⁄₃ e haben. Die Antiquarks haben jeweils die entgegengesetzte Ladung zu ihren entsprechenden Quarks, also −²⁄₃ e bzw. +¹⁄₃ e. Da die elektrische Ladung eines Hadrons die Summe der Ladungen der konstituierenden Quarks ist, haben alle Hadronen ganzzahlige Ladungen: Die Kombination von drei Quarks (Baryonen), drei Antiquarks (Antibaryonen) oder einem Quark und einem Antiquark (Mesonen) führt immer zu ganzzahligen Ladungen. Die Hadronen-Bestandteile der Atomkerne, Neutronen und Protonen, haben zum Beispiel die Ladungen 0 e bzw. +1 e; das Neutron besteht aus zwei Down-Quarks und einem Up-Quark, das Proton aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark.

Schwache Wechselwirkung

Die Stärken der schwachen Wechselwirkungen zwischen den sechs Quarks. Die „Intensitäten“ der Linien werden durch die Elemente der CKM-Matrix bestimmt.

Ein Quark eines Flavours kann sich durch die schwache Wechselwirkung, eine der vier fundamentalen Wechselwirkungen der Teilchenphysik, und nur durch diese in ein Quark eines anderen Flavours verwandeln. Eine solche Umwandlung ist ist nur möglich, wenn sie mit einem Wechsel der elektrischen Ladung verbunden ist. Dies wird durch den Austausch eines W-Bosons beschrieben. Die Umwandlung von einem Quark in einen anderen Flavour mit gleicher Ladung (flavour changing neutral current) ist in führender Ordnung ausgeschlossen.

Während der Prozess der Flavor-Transformation für alle Quarks gleich ist, hat jedes Quark eine Vorliebe, sich in das Quark seiner eigenen Generation zu verwandeln. Die relativen Tendenzen aller Flavor-Transformationen werden durch eine 3×3-Matrix beschrieben, die Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix (CKM-Matrix).

Baryonenzahl

Im Gegensatz zu Mesonen können Baryonen nicht beliebig erzeugt oder vernichtet werden, sondern nur entweder in ein anderes Baryon umgewandelt werden oder paarweise als Baryon und Antibaryon entstehen oder annihilieren. Dieses Verhalten wird mit einer Quantenzahl, der Baryonenzahl B beschrieben, die man den Baryonen (B = +1) und Antibaryonen (B = −1) zuordnet und die stets erhalten bleibt. Daraus lässt sich direkt ein analoger Erhaltungssatz für Quarks und Antiquarks ableiten, denen man entsprechend die Baryonenzahl +¹⁄₃ und −¹⁄₃ zuordnet. Eine Nichterhaltung der Baryonenzahl (z. B. durch Umwandlung eines Quarks in Nicht-Quarks) wird in theoretischen Erweiterungen des Standardmodells diskutiert, hat aber bislang keine experimentelle Grundlage.

Parität

Als Fermionen haben Quark und Antiquark entgegengesetzte intrinsische Parität. Da Quarks nur als qq-Paare erzeugt und vernichtet werden können, ist die Wahl des Vorzeichens beliebig. Konventionsgemäß schreibt man Quarks positive und Antiquarks negative Parität zu.

Einordnung im Standardmodell

Elementarteilchen des Standardmodells Sechs der Teilchen im Standardmodell sind Quarks (in lila dargestellt). Jede der ersten drei Säulen bildet eine Generation von Materie.

! Quarks	! Austauschteilchen
! Leptonen	! Higgs-Boson

Materie- teilchen                   Austausch- teilchen       Higgs-Boson                                                                                                               Quarks   Leptonen   Gluonen   W-Bosonen, Z-Boson   Photon   Graviton (?)                                                                   Hadronen             Starke Wechsel- wirkung   Schwache Wechsel- wirkung   Elektro- magnetische W’wirkung   Gravitation                                                                               Mesonen   Baryonen         Quanten- chromo- dynamik             Quanten- elektro- dynamik   Quanten- gravitation (?)                                                                                   Atomkerne                       Elektro- schwache W’wirkung                                                                                                             Atome           Große vereinheitlichte Theorie (?)                                                                                                             Moleküle                 Weltformel (?)

Ein Überblick über die verschiedenen Familien von Elementar­teilchen und zusammen­gesetzten Teilchen und die Theorien, welche ihre Wechsel­wirkungen beschreiben.

Elementarteilchen zusammengesetzte Teilchen Wechselwirkung theoretische Beschreibung

Das Standardmodell ist der theoretische Rahmen, der alle bekannten Elementarteilchen beschreibt. Dieses Modell enthält neben den sechs Flavors von Quarks auch die Leptonen. Zwischen Leptonen und Quarks bestehen auffällige Parallelen: Beide sind Spin-½-Teilchen, unterliegen damit als Fermionen dem Pauli-Ausschlussprinzip, das besagt, dass keine zwei identischen Fermionen gleichzeitig den gleichen Quantenzustand einnehmen können. Beide kann man in drei Generationen einteilen, die jeweils aus zwei Leptonen bzw. zwei Quarks bestehen, die sich in der elektrischen Ladung um 1 e unterscheiden. Die Summe der Ladungen aller Teilchen einer Generation ist Null, zum Beispiel in der 1. Generation: Elektron, Elektron-Neutrino, jeweils drei Farbzustände von Up- und Down-Quark: −1 + 0 + 3·(²⁄₃–¹⁄₃) = 0. Auch bezüglich der schwachen Wechselwirkung verhalten sich Leptonen und Quarks analog.

Gewöhnliche Materie besteht aus Quarks der ersten Generation (up und down) sowie Elektronen. Schwerere Quarks können nur in hochenergetischen Kollisionen (z. B. mit kosmischer Strahlung) entstehen und zerfallen schnell; man nimmt jedoch an, dass sie in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall vorhanden waren, als sich das Universum in einer extrem heißen und dichten Phase befand. Untersuchungen von schwereren Quarks werden unter künstlich geschaffenen Bedingungen, z. B. in Teilchenbeschleunigern, durchgeführt.

Mit elektrischer Ladung, Masse, Farbladung und Flavor sind Quarks die einzigen bekannten Elementarteilchen, die an allen vier fundamentalen Wechselwirkungen der heutigen Physik beteiligt sind: Elektromagnetismus, Gravitation, starke Wechselwirkung und schwache Wechselwirkung.

Wechselwirkende Quarks

Bindung durch Gluonen

Siehe auch: Gluon

Im Gegensatz zu Leptonen besitzen Quarks eine Farbladung, wodurch sie an der starken Wechselwirkung teilnehmen. Die daraus resultierende Anziehung zwischen verschiedenen Quarks verursacht die Bildung von zusammengesetzten Teilchen, die als Hadronen bekannt sind. Die häufigsten Baryonen sind das Proton und das Neutron, die Bausteine des Atomkerns. Es ist eine große Anzahl von Hadronen bekannt (siehe Liste der Baryonen und Liste der Mesonen), von denen sich die meisten durch ihren Quarkgehalt und die Eigenschaften, die diese konstituierenden Quarks verleihen, unterscheiden. Die Existenz „exotischer“ Hadronen mit mehr Valenzquarks, wie Tetraquarks (qqqq) und Pentaquarks (qqqqq), wurde seit den Anfängen des Quarkmodells vermutet, aber erst im frühen 21. Jahrhundert entdeckt.

Wie von der Quantenchromodynamik beschrieben, wird die starken Wechselwirkung zwischen Quarks durch Gluonen, masselose Vektor-Eichbosonen, vermittelt, die an die Farbladung der Quarks koppeln. Jedes Gluon trägt eine Farbladung und eine Antifarbladung. Im Standardrahmen der Teilchenwechselwirkung (Teil einer allgemeineren Formulierung, die als Störungstheorie bekannt ist) werden Gluonen ständig zwischen Quarks durch einen virtuellen Emissions- und Absorptionsprozess ausgetauscht. Wenn ein Gluon zwischen Quarks übertragen wird, findet bei beiden ein Farbwechsel statt; wenn zum Beispiel ein rotes Quark ein rot-antigrünes Gluon emittiert, wird es grün, und wenn ein grünes Quark ein rot-antigrünes Gluon absorbiert, wird es rot. Während sich also die Farbe jedes Quarks ständig ändert, bleibt ihre starke Wechselwirkung erhalten.

Da Gluonen Farbladung tragen, sind sie selbst in der Lage, andere Gluonen zu emittieren und zu absorbieren. Dies verursacht asymptotische Freiheit: Je näher die Quarks einander kommen, desto schwächer wird die chromodynamische Bindungskraft zwischen ihnen. Umgekehrt wird die Bindungskraft stärker, wenn der Abstand zwischen den Quarks zunimmt. Das die Energie des Farbfeldes nimmt zu, ähnlich wie die Energie eines elastischen Bands zunimmt, wenn es gedehnt wird. Oberhalb einer bestimmten Energieschwelle werden Paare von Quarks und Antiquarks erzeugt. Diese Paare verbinden sich mit den zu trennenden Quarks, wodurch neue Hadronen entstehen. Dieser Prozess der Hadronisierung findet statt, bevor Quarks, die in einer hochenergetischen Kollision entstanden sind, auf irgendeine andere Weise als isolierte Teilchen wechselwirken können. Dieses Phänomen ist als Confinement bekannt: Quarks treten niemals isoliert auf. Ein Sonderfall ist das Top-Quark, das aufgrund seiner hohen Masse bereits zerfällt, bevor es zu einer Hadronisierung kommt.

Seequarks

Die Quarks, die die Quantenzahlen der Hadronen bestimmen, werden Valenzquarks (q_v) genannt; abgesehen von diesen kann jedes Hadron eine unbestimmte Anzahl von virtuellen „See“-Quarks (Quark und Antiquark) und Gluonen enthalten, die seine Quantenzahlen nicht beeinflussen. See-Quarks entstehen, wenn sich ein Gluon aus dem Farbfeld des Hadrons spaltet; dieser Prozess funktioniert auch umgekehrt, indem die Annihilation zweier Sea-Quarks ein Gluon erzeugt. Das Ergebnis ist ein ständiger Fluss von Gluon-Aufspaltungen und -Erzeugungen, die umgangssprachlich als „das Meer“ bezeichnet werden. Obwohl See-Quark-Paare beständig entstehen oder annihilieren, können sie unter bestimmten Umständen zu baryonischen oder mesonischen Teilchen hadronisieren.

Andere Phasen der Quarkmaterie

Unter hinreichend extremen Bedingungen können Quarks aus gebundenen Zuständen „dekonfiniert“ werden und sich als thermalisierte „freie“ Anregungen im größeren Medium ausbreiten. Im Zuge der asymptotischen Freiheit wird die starke Wechselwirkung bei steigenden Temperaturen schwächer. Schließlich würde der Confinement in einem extrem heißen Plasma aus frei beweglichen Quarks und Gluonen effektiv verloren gehen. Diese theoretische Phase der Materie wird als Quark-Gluon-Plasma bezeichnet.

Die genauen Bedingungen, die benötigt werden, um diesen Zustand zu erreichen, sind unbekannt und waren Gegenstand zahlreicher Spekulationen und Experimente. Einer Schätzung zufolge liegt die erforderliche Temperatur bei (1,90 ± 0,02)·10¹² Kelvin. Während ein Zustand völlig freier Quarks und Gluonen nie erreicht wurde (trotz zahlreicher Versuche am CERN in den 1980er und 1990er Jahren), haben Experimente am Relativistic Heavy Ion Collider und inzwischen auch am LHC Hinweise auf flüssigkeitsähnliche Quark-Materie ergeben, die eine „nahezu perfekte“ Fluiddynamik aufweist.

Das Quark-Gluon-Plasma würde sich durch eine starke Zunahme der Anzahl der schwereren Quark-Paare im Verhältnis zur Anzahl der Up- und Down-Quark-Paare auszeichnen. Es wird vermutet, dass in der Zeit vor 10⁻⁶ Sekunden nach dem Urknall (der Quark-Epoche) das Universum mit Quark-Gluon-Plasma gefüllt war, da die Temperatur für Hadronen zu hoch war, um stabil zu sein.

Bei ausreichend hohen Baryonendichten und relativ niedrigen Temperaturen – möglicherweise vergleichbar mit denen in Neutronensternen – wird erwartet, dass die Quarkmaterie zu einer Fermi-Flüssigkeit aus schwach wechselwirkenden Quarks entartet. Diese Flüssigkeit wäre durch eine Kondensation von farbigen Quark-Cooper-Paaren gekennzeichnet, wodurch die lokale SU(3)_c-Symmetrie gebrochen würde. Da Quark-Cooper-Paare Farbladung beherbergen, wäre eine solche Phase der Quark-Materie farblich supraleitend, d. h. Farbladung könnte sie widerstandslos durchdringen.

Aktuelle Forschungsschwerpunkte

Die Masse des Top-Quarks

Einer Zusammenarbeit von Wissenschaftlern am Fermilab (Illinois/USA) gelang es erst 2004, die Masse des Top-Quarks mit guter Genauigkeit zu bestimmen und damit eine bessere Vorhersage der Masse des vom Standardmodell vorhergesagten, aber bis dahin noch unentdeckten Higgs-Bosons zu ermöglichen.

Quarks lassen sich üblicherweise experimentell nicht einzeln beobachten: Sie treten immer in Kombinationen von mehreren Quarks auf (siehe unten) und sind nur indirekt anhand bestimmter Umwandlungen nachweisbar. Das Top-Quark ist eine Ausnahme, da es zerfällt, bevor es Hadronen formen könnte. Erst im Jahr 1995 konnten zwei Arbeitsgruppen am Fermilab unabhängig voneinander den Nachweis von Top-Quarks bekanntgeben, die dort als Quark-Antiquark-Paare bei Proton-Antiproton-Kollisionen entstanden waren. Das gesuchte Teilchenpaar zerfällt nach extrem kurzen 10⁻²⁴ Sekunden in W-Bosonen und leichtere Quarks, wobei letztere nahezu immer Bottom-Quarks sind. Erst diese binden dann andere Quarks an sich, ein Vorgang, der sich Hadronisierung nennt. Daraus resultieren Jets. Die Masse des Top-Quarks lässt sich durch eine genaue Analyse der Energie- und Impulsbilanz dieser Zerfälle bestimmen. Die Auswertung solcher komplexen Ereignisse ergab am CDF-Experiment und DØ-Experiment (sprich D-Zero) 1995 eine hohe Masse von mehr als 170 GeV/c², wesentlich schwerer als die anderen Quarks; die Messunsicherheit betrug zum damaligen Zeitpunkt allerdings 10 %. Spätere Messungen erreichten eine Unsicherheit von unter 0,5 %.

Die extrem große Masse des Top-Quarks legt nahe, dass es sich grundsätzlich von den fünf leichteren Quarks unterscheidet. Auf der Grundlage einer präzisen Messung seiner Masse lassen sich Aussagen über die Masse des Higgs-Bosons gewinnen und mit der direkten Messung der Higgs-Masse vergleichen. Dieses Teilchen, das 1964 von dem englischen Physiker Peter Higgs vorausgesagt wurde, wechselwirkt mit anderen Elementarteilchen und verleiht ihnen dadurch ihre Masse. Es vervollständigt das Standardmodell. Der Wert für die Masse dieses Higgs-Teilchens konnte von den beiden am LHC am CERN befindlichen Experimenten ATLAS und CMS bestimmt werden und beträgt etwa 125 GeV/c².

Die große Masse des Top-Quarks macht auch seine Zerfälle zu einem fruchtbaren Feld für die Suche nach neuen Teilchen, wie beispielsweise den Teilchen der Supersymmetrie, einer möglichen Erweiterung des Standardmodells. Mit der Produktion von Top-Quark-Paaren bei höheren Kollisionsenergien lässt sich vielleicht auch die Frage beantworten, ob es sich bei den Quarks wirklich um strukturlose, fundamentale Teilchen handelt. Neue Ergebnisse zum Top-Quark kommen daher vor allem vom LHC, der Anfang September 2008 in Betrieb genommen wurde. Dort werden zwei Protonenstrahlen mit einer Energie bis zu 6,5 TeV pro Proton zur Kollision gebracht.

Confinement

→ Hauptartikel: Confinement

Die theoretische Erklärung des Confinement-Problems ist eine der großen Herausforderungen der theoretischen Teilchenphysik. Es wurden verschiedene Modelle entwickelt, die in den letzten Jahren theoretisch untersucht wurden. Eine Möglichkeit ist die Bildung eines Gluonkondensates, welches dann nicht-triviale topologische Objekte enthalten kann (chromo-magnetische Monopole, Center-Vortices, Dyonen), eine andere Idee ist, Confinement durch Instantonen, also Tunnelprozesse, zu erklären. In den letzten Jahren wurden auch einzelne Green-Funktionen der QCD mit verschiedenen Methoden untersucht. Von besonderem Interesse ist hier der Gluonpropagator, für dessen Verhalten im Infrarotbereich unterschiedliche Methoden unterschiedliche Ergebnisse liefern. Dieses Problem wurde und wird stark diskutiert und ist aktuell (Januar 2011) noch nicht vollständig gelöst. Aus dem Infrarotverhalten des Gluonpropagators ergeben sich Hinweise auf die Gültigkeit verschiedener Confinementszenarien.

Eine qualitative Darstellung des Phasen­diagramms von Quark-Materie. Die genauen Details des Diagramms sind Gegenstand der laufenden Forschung.

QCD-Phasendiagramm

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt der letzten Jahre, auf theoretischer Ebene, ist das Verhalten von Quarks bei endlichen Temperaturen und Dichten. Man weiß aus Experimenten, dass sich bei extrem hohen Dichten eine neue Phase einstellt, das Quark-Gluon-Plasma. Die theoretische Beschreibung dieses Zustandes und die Beschreibung des Phasenüberganges sind von hohem theoretischen Interesse. Zum einen sind die Quarks quasi-frei, die Confinement-Hypothese gilt also nicht mehr und man spricht von einem Confinement-Deconfinement-Übergang. Auch wird bei hohen Temperaturen und Dichten die chirale Symmetrie wiederhergestellt (bis auf die explizite Brechung durch die Stromquarkmassen). Ein Zusammenhang dieser beiden Phasenübergänge gilt als sehr wahrscheinlich und die Übergangstemperaturen für beide Übergänge stimmen anscheinend überein. Wie genau der Zusammenhang gegeben ist, von welcher Ordnung der Phasenübergang ist und ob nicht doch unter Umständen in gewissen Bereichen die Übergangstemperaturen unterschiedlich sein können, wie von einigen Forschern vorhergesagt, ist aber noch nicht endgültig gelöst und wird wohl erst durch experimentelle Messung beantwortet werden können.

Substruktur

Dass sich Leptonen und Quarks gleichermaßen symmetrisch in jeweils 3 Generation zu je 2 Fermionen klassifizieren lassen, gab zu Überlegungen Anlass, dass Quarks und Leptonen aus „noch elementareren“ Bausteinen, so genannten Präonen zusammengesetzt sein könnten. Dies wäre analog zu den Atomen und zu den Hadronen, die ursprünglich auch als elementar galten. Es gibt aber bislang keine experimentellen Hinweise auf eine solche Substruktur.

Geschichte

Murray Gell-Mann (2007)

George Zweig (2015)

Das Quark-Modell wurde 1964 unabhängig voneinander von den Physikern Murray Gell-Mann und George Zweig vorgeschlagen. Der Vorschlag kam kurz nach Gell-Manns Formulierung eines Teilchen-Klassifizierungssystems aus dem Jahr 1961, das als Achtfacher Weg bekannt ist – oder, technisch ausgedrückt, als SU(3)-Flavor-Symmetrie, die die Struktur rationalisiert. Der Physiker Yuval Ne’eman hatte im selben Jahr unabhängig ein dem Achtfachen Weg ähnliches Schema entwickelt. Ein früher Versuch der Teilchenorganisation war im Sakata-Modell vorhanden. Auch der Schweizer Physiker André Petermann postulierte 1963 die Existenz der Quarks. Sein Manuskript wurde aber erst 1965 veröffentlicht und sein Beitrag geriet in Vergessenheit.

Zur Zeit der Entstehung der Quarktheorie gab es im „Teilchenzoo“ neben anderen Teilchen eine Vielzahl von Hadronen. Gell-Mann und Zweig postulierten, dass sie keine Elementarteilchen sind, sondern aus Kombinationen von Quarks und Antiquarks bestehen. Ihr Modell sah drei Flavors von Quarks vor, up, down und strange, denen sie Eigenschaften wie Spin und elektrische Ladung zuschrieben. Die anfängliche Reaktion der Physikgemeinde auf diesen Vorschlag war gemischt. Es gab insbesondere Streit darüber, ob das Quark eine physikalische Entität oder eine bloße Abstraktion war, die verwendet wurde, um Konzepte zu erklären, die zu der Zeit nicht vollständig verstanden wurden.

In weniger als einem Jahr wurden Erweiterungen des Gell-Mann-Zweig-Modells vorgeschlagen. Sheldon Lee Glashow und James Bjorken sagten die Existenz eines vierten Flavor des Quarks voraus, den sie Charm nannten. Der Zusatz wurde vorgeschlagen, weil er eine bessere Beschreibung der schwachen Wechselwirkung (der Mechanismus, der den Zerfall von Quarks ermöglicht) erlaubte, die Anzahl der bekannten Quarks mit der Anzahl der bekannten Leptonen ausglich und eine Massenformel implizierte, die die Massen der bekannten Mesonen korrekt reproduzierte.

Feynman-Diagramm der tief inelastischen Streuung eines geladenen Leptons (l) (Elektron, Myon) an einem Hadron (h). Das virtuelle Photon (γ^*) schlägt aus dem Hadron ein Quark (q) heraus. Der experi­mentelle Nachweis solcher Streu-Ereignisse zeigte, dass Protonen aus anderen Teilchen zusammengesetzt sind.

Anzeichen auf eine komplexe Struktur von Proton und Neutron hatte es schon vor der Entwicklung der Quarktheorie gegeben: Streuexperimente ergaben einen Formfaktor, der auf eine räumliche Ausdehnung hinwies, und das magnetische Moment ergab einen Landé-Faktor, der deutlich von dem Wert g = 2 für punktförmige Teilchen abwich. 1968 zeigten Experimente mit tief inelastischer Streuung am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), dass das Proton viel kleinere, punktförmige Objekte enthielt und daher kein Elementarteilchen war. Die Physiker zögerten damals, diese Objekte eindeutig mit Quarks zu identifizieren und nannten sie stattdessen „Partonen“ – ein Begriff, der von Richard Feynman geprägt wurde. Die am SLAC beobachteten Objekte wurden später als Up- und Down-Quarks identifiziert, als die anderen Flavors entdeckt wurden. Dennoch bleibt „Parton“ als Sammelbegriff für die Bestandteile der Hadronen (Quarks, Antiquarks und Gluonen) in Gebrauch.

Die Existenz des Strange-Quarks wurde indirekt durch die Streuexperimente am SLAC bestätigt: Es war nicht nur ein notwendiger Bestandteil des Drei-Quark-Modells von Gell-Mann und Zweig, sondern lieferte auch eine Erklärung für das Kaon (K) und das Pion (π) Hadronen, die 1947 in der kosmischen Strahlung entdeckt wurden.

In einer Arbeit aus dem Jahr 1970 präsentierten Glashow, John Iliopoulos und Luciano Maiani den sogenannten GIM-Mechanismus, um die experimentelle Nichtbeobachtung von flavor-ändernden Neutralströmen zu erklären. Dieses theoretische Modell setzte die Existenz des noch unentdeckten Charm-Quarks voraus. Die Anzahl der vermuteten Quark-Flavors wuchs 1973 auf die heutigen sechs an, als Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa feststellten, dass die experimentelle Beobachtung der CP-Verletzung erklärt werden könnte, wenn es ein weiteres Quarkpaar gäbe.

Charm-Quarks wurden im November 1974 (siehe November-Revolution) fast gleichzeitig von zwei Teams erzeugt – eines am SLAC unter Burton Richter und eines am Brookhaven National Laboratory unter Samuel Ting. Die Charm-Quarks wurden mit Charm-Antiquarks in Mesonen gebunden beobachtet. Die beiden Parteien hatten dem entdeckten Meson zwei verschiedene Symbole zugewiesen, J und ψ; so wurde es formell bekannt als J/ψ-Meson. Die Entdeckung überzeugte die Physikergemeinschaft endgültig von der Gültigkeit des Quarkmodells.

In den folgenden Jahren erschienen eine Reihe von Vorschlägen zur Erweiterung des Quarkmodells auf sechs Quarks. Davon war die Arbeit von Haim Harari aus dem Jahr 1975 die erste, die die Begriffe top und bottom für die zusätzlichen Quarks prägte.

1977 wurde das Bottom-Quark von einem Team am Fermilab unter der Leitung von Leon Lederman beobachtet. Dies war zugleich ein starker Hinweis auf die Existenz des Top-Quarks: Ohne das Top-Quark wäre das Bottom-Quark ohne Partner gewesen. Doch erst 1995 wurde das Top-Quark schließlich beobachtet, ebenfalls von den Teams CDF und DØ am Fermilab. Es hatte eine viel größere Masse als zuvor erwartet, fast so groß wie die eines Goldatoms.

Etymologie

Eine Zeit lang war Gell-Mann unschlüssig über eine tatsächliche Schreibweise für den Begriff, den er prägen wollte, bis er in James Joyces Buch Finnegans Wake (erschienen 1939) das Wort Quark fand:

– Three quarks for Muster Mark!

Sure he hasn’t got much of a bark

And sure any he has it's all beside the mark.

Das Wort heißt im Englischen krächzen und der Satz handelt von einem Vogelchor, der den König Marke aus der Tristan-Sage verspottet. Ins Reich der Legende gehört hingegen die im deutschen Sprachraum gleichwohl verbreitete Geschichte, Joyce hätte das Wort Quark ursprünglich auf einer Reise durch Deutschland gehört und übernommen. Gell-Mann ging in seinem 1994 erschienenen Buch The Quark and the Jaguar näher auf den Namen und die Aussprache des Quarks ein:

In 1963, when I assigned the name "quark" to the fundamental constituents of the nucleon, I had the sound first, without the spelling, which could have been "kwork". Then, in one of my occasional perusals of Finnegans Wake, by James Joyce, I came across the word "quark" in the phrase "Three quarks for Muster Mark". Since "quark" (meaning, for one thing, the cry of the gull) was clearly intended to rhyme with "Mark", as well as "bark" and other such words, I had to find an excuse to pronounce it as "kwork". But the book represents the dream of a publican named Humphrey Chimpden Earwicker. Words in the text are typically drawn from several sources at once, like the "portmanteau" words in Through the Looking-Glass. From time to time, phrases occur in the book that are partially determined by calls for drinks at the bar. I argued, therefore, that perhaps one of the multiple sources of the cry "Three quarks for Muster Mark" might be "Three quarts for Mister Mark", in which case the pronunciation "kwork" would not be totally unjustified. In any case, the number three fitted perfectly the way quarks occur in nature.

Zweig bevorzugte den Namen „Ass“ für das von ihm theoretisierte Teilchen, aber die Terminologie von Gell-Mann setzte sich durch, nachdem das Quarkmodell allgemein akzeptiert worden war.

Die Quark-Flavors erhielten ihre Namen aus mehreren Gründen. Die Up- und Down-Quarks sind nach den Up- und Down-Komponenten des Isospins benannt, die sie tragen. Die Strange-Quarks erhielten ihren Namen, weil sie als Komponenten der seltsamen Teilchen entdeckt wurden, die in der kosmischen Strahlung entdeckt wurden, Jahre bevor das Quark-Modell vorgeschlagen wurde; diese Teilchen wurden als „seltsam“ angesehen, weil sie eine ungewöhnlich lange Lebensdauer hatten. Glashow, der das charmed quark zusammen mit Bjorken vorschlug, wird mit den Worten zitiert: „Wir nannten unser Konstrukt das 'charmed quark', denn wir waren fasziniert und erfreut über die Symmetrie, die es in die subnukleare Welt brachte“. Die von Harari geprägten Namen „bottom“ und „top“ wurden gewählt, weil sie „logische Partner für up- und down-Quarks“ sind. Alternative Namen für bottom- und top-Quarks sind „beauty“ bzw. „truth“, aber diese Namen sind weitgehend aus dem Gebrauch gefallen. Während „truth“ sich nie durchgesetzt hat, werden Beschleunigerkomplexe, die sich der massiven Produktion von bottom-Quarks widmen, manchmal „beauty factories“ genannt.

Siehe auch

• Quarkonium
• Quark-Stern

Literatur

• Harald Fritzsch: Quarks – Urstoff unserer Welt. Piper, München 2006, ISBN 3-492-24624-9.
• Hans G. Dosch: Jenseits der Nanowelt – Leptonen, Quarks und Eichbosonen. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-22889-6.
• Maurice Jacob: The quark structure of matter. World Scientific, Singapore 1992, ISBN 981-02-0962-2.
• David Blaschke: Heavy quark physics. Springer, Berlin 2004, ISBN 3-540-21921-8.
• S.W. Lovesey: Theory of Neutron Scattering from Condensed Matter. Oxford University Press, 1986, ISBN 0-19-852029-8.
• Donald H. Perkins: Introduction to High Energy Physics. Addison Wesley, Reading, Massachusetts 1982, ISBN 0-201-05757-3.
• John S. Rigden: Rabi, Scientist and Citizen. Basic Books, New York 1987, ISBN 0-465-06792-1.
• Sergei Vonsovsky: Magnetism of Elementary Particles. Mir Publishers, Moscow 1975.

Weblinks

Wiktionary: Quark – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Quark (Physik) – Album mit Bildern

• 1969 Physik-Nobelpreis-Vortrag von Murray Gell-Mann
• 1976 Physik-Nobelpreis-Vortrag von Burton Richter
• 1976 Physik-Nobelpreis-Vortrag von Samuel C.C. Ting
• 2008 Physik-Nobelpreis-Vortrag von Makoto Kobayashi
• 2008 Physik-Nobelpreis-Vortrag von Toshihide Maskawa
• The Top Quark And The Higgs Particle von T.A. Heppenheimer – Eine Beschreibung des CERN-Experiments zur Zählung der Quarkfamilien.