Quark (Physik)

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Die Abbildung zeigt ein Proton, welches aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark bestehen. Die Quarks sind alle mit dem jeweils anderen verbunden.
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
Antiteilchen Antiquark ()
Theoretisiert Murray Gell-Mann (1964), George Zweig (1964)
Entdeckt SLAC (c. 1968)
Arten 6 (up, down, strange, charm, bottom, und top)
Elektrische Ladung ,
Farbladung Ja
Spin
Baryonenzahl

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 sind die einzigen Elementarteilchen im Standardmodell der Teilchenphysik, die allen vier fundamentalen Wechselwirkungen (starke Wechselwirkung, Elektromagnetismus, schwache Wechselwirkung, Gravitation) 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 es das entsprechende Antiteilchen (Antiquark), dessen elektrische Ladung und andere Quantenzahlen entgegengesetzte Vorzeichen haben.

Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Gene-
ration
Name Sym­bol Ladung Flavour-
Quanten­zahlen
Masse[1]
(MeV)[Anm 1]
1 Down d 13 e Iz = −12 000004,67
Up u +23 e Iz = +12 000002,16
2 Strange s 13 e S = −1 000093
Charm c +23 e C = +1 001270 ± 20
3 Bottom b 13 e B′ = −1 004180
Top t +23 e T = +1 172760 ± 300

Flavours[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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. Die drei Quarks mit der geringsten Masse (d, u, s) werden summarisch als „leichte Quarks“ bezeichnet.[1]

In Hadronen (gebundenen Quarksystemen), die aus leichten Quarks zusammengesetzt sind, stammt ein großer Teil der Masse 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 die 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 bei den leichten Quarks zwischen den Stromquarks („nackte“ Quarks) und den Konstituentenquarks („effektive“ Quarks unter Berücksichtigung der Feldenergie). Die Masse der u- und d-Konstituentenquarks liegt in der Größenordnung von 350 MeV/c2.[1] Für die schweren Flavours c und b ist der Unterschied zwischen Strom- und Konstituentenquarkmasse vergleichsweise gering; t-Quarks bilden keine gebundenen Zustände.[2] Die in der Tabelle angegebenen Massen sind die der Stromquarks.

Spin[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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).

Parität[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.

Farbladung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Quarks besitzen eine so genannte „Farbladung“. Dadurch unterliegen die Quarks, wie weiter unten erläutert, der Starken Wechselwirkung. Eine weitere Konsequenz ist, dass Quarks nie isoliert auftreten können (Confinement).

Elektrische Ladung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Quarks haben gebrochene elektrische Ladungswerte. Up-, Charm- und Top-Quarks haben eine Ladung von +23 e, während Down-, Strange- und Bottom-Quarks eine Ladung von −13 e haben. Die Antiquarks haben jeweils die entgegengesetzte Ladung zu ihren entsprechenden Quarks, also −23 e bzw. +13 e. Quarks kombinieren sich aber immer so zu Hadronen, dass die Gesamtladung ganzzahlig ist: 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.

Baryonenzahl[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 +13 und −13 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.

Größe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.

Quarks sind nach heutigem Wissensstand elementar. Es gibt zwar Überlegungen, dass Quarks und Leptonen aus „noch elementareren“ Bausteinen, so genannten Präonen zusammengesetzt sein könnten – analog zu den Atomen und zu den Hadronen, die ursprünglich auch als elementar galten. Dies ist aber reine Spekulation; es gibt keinerlei experimentellen Hinweise auf eine Substruktur.

Einordnung im Standardmodell[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Elementarteilchen des Standardmodells Sechs der Teilchen im Standardmodell sind Quarks (in blau dargestellt). Jede der ersten drei Säulen bildet eine Generation von Materie.
! Quarks ! Austauschteilchen
! Leptonen ! Higgs-Boson
 
 
 
 
Materie-
teilchen
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Austausch-
teilchen
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Quarks
 
Leptonen
 
Gluonen
 
W-Bosonen,
Z-Boson
 
Photon
 
Graviton (?)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Hadronen
 
 
 
 
 
 
Starke
Wechsel-
wirkung
 
Schwache
Wechsel-
wirkung
 
Elektro-
magnetische Kraft
 
Gravitation
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Mesonen
 
Baryonen
 
 
 
 
Quanten-
chromo-
dynamik
 
 
 
 
 
 
Quanten-
elektro-
dynamik
 
Quanten-
gravitation
(?)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Atomkerne
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Elektro-
schwache
Wechsel-
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 Flavours 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·(2313) = 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 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 Farbladung, elektrischer Ladung, Flavour und Masse sind Quarks die einzigen bekannten Elementarteilchen, die an allen vier fundamentalen Wechselwirkungen der heutigen Physik beteiligt sind: starke Wechselwirkung, Elektromagnetismus, schwache Wechselwirkung und Gravitation.

Starke Wechselwirkung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Farbladung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

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. Teilchen mit Farbladung unterliegen einer Kraft, die als „starke Wechselwirkung“ bezeichnet wird. Die Theorie, die diese 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 das additive Farbmodell in der Grundlagenoptik und war der Grund für die Bezeichnung „Farbladung“.

Bildung von Hadronen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die aus Quarks zusammengesetzten Teilchen werden Hadronen genannt. Wichtige Beispiele für Hadronen sind Mesonen mit ganzzahligem Spin und Baryonen mit halbzahligem Spin. Es ist eine empirische (und mittlerweile theoretisch gut untermauerte) Tatsache, dass nur farbneutrale („weiße“) Teilchen isoliert existieren können. Dies sind Quark-Antiquark-Kombinationen (qqMesonen), Kombinationen aus drei Quarks (qqq – Baryonen) oder drei Antiquarks (qqqAntibaryonen), nicht aber einzelne Quarks. Dieses Phänomen nennt man „Confinement“ (siehe unten). Ein Nebeneffekt dieser Einschränkung ist, dass Hadronen immer ganzzahlige elektrische Ladungen tragen.

Es ist eine dreistellige Anzahl von Hadronen bekannt (siehe Liste der Baryonen und Liste der Mesonen), die sich durch unterschiedliche Valenzquarks und unterschiedliche Quantenzahlen (Bahndrehimpuls, Spinrichtung, radiale Anregung …) erklären lassen. Die mit Abstand wichtigsten Baryonen sind das Proton und das Neutron, die Bausteine des Atomkerns. Im frühen 21. Jahrhundert wurden „exotische Hadronen“ mit anderer Zusammensetzung entdeckt: Tetraquarks (qqqq) und Pentaquarks (qqqqq). Auch diese sind farbneutral.

Valenz- und Seequarks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wie von der Quantenchromodynamik beschrieben, wird die starke Wechselwirkung durch Gluonen vermittelt, masselose Vektor-Eichbosonen, die an die Farbladung der Quarks koppeln. 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.

Die Quarks, die die Quantenzahlen der Hadronen bestimmen, werden Valenzquarks genannt. Zusätzlich enthält jedes Hadron eine unbestimmte Anzahl von virtuellen „See“-Quarks (Quarks und Antiquarks) und Gluonen, 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 See-Quarks ein Gluon erzeugt. Das Ergebnis ist ein ständiger Fluss von Gluon-Aufspaltungen und -Erzeugungen.[Anm 2] Bei Zufuhr von Energie können See-Quark-Paare zu reellen baryonischen oder mesonischen Teilchen hadronisieren.[3]

Confinement[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Gluonen tragen Farbladung und sind daher 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. 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.

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.[4] Dieses Problem wurde und wird stark diskutiert und ist aktuell (Januar 2011) noch nicht vollständig gelöst.[5][6] Aus dem Infrarotverhalten des Gluonpropagators ergeben sich Hinweise auf die Gültigkeit verschiedener Confinementszenarien.

Quark-Gluon-Plasma[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

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 1,90·1012 Kelvin (kT = 160 MeV). 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 (RHIC) und inzwischen auch am Large Hadron Collider (LHC) Hinweise auf flüssigkeitsähnliche Quark-Materie ergeben, die eine „nahezu perfekte“ Fluiddynamik aufweist.[7]

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.

Schwache Wechselwirkung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 – und nur durch diese – in ein Quark eines anderen Flavours umwandeln. Eine solche Umwandlung ist nur möglich, wenn sie mit einem Wechsel der elektrischen Ladung verbunden ist. Dies wird durch den Austausch eines virtuellen W-Bosons beschrieben. Die Umwandlung von einem Quark in einen anderen Flavour mit gleicher Ladung (flavour changing neutral current) ist in führender Ordnung ausgeschlossen.[Anm 3]

Solche Umwandlungen treten bei der Umwandlung („Zerfall“) von Hadronen auf, wenn dabei eine Flavour-Quantenzahl nicht erhalten bleibt. Ein Beispiel ist der Zerfall Λ0 → p + π. Die beteiligten Hadonen haben die Quarkzusammensetzung Λ0 = sud, p = uud und π = du. Man kann diesen Prozess so deuten, dass sich ein s-Quark und ein u-Quark umwandelt und über ein virtuelles W-Boson zusätzlich ein du-Paar erzeugt wird. Da solch eine Umwandlung nur über die schwache Wechselwirkung möglich ist, verläuft sie vergleichsweise langsam. Das Λ0 hat eine Lebensdauer von 2.6e-10 s, das ähnlich schwere Δ0 (udd), das über die starke Wechselwirkung zerfällt, hingegen eine Lebensdauer von nur 3e-23 s.

Während der Prozess der Flavour-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).

Das Top-Quark mit seiner enormen Masse hat die einzigartige Eigenschaft, dass es in ein reelles W-Boson und ein anderes Quark (zu 96 ± 3 % ein b-Quark)[2] zerfallen kann. Daher geschieht diese Umwandlung extrem schnell (in der Größenordnung 10−25 s), und die Bildung von Hadronen mit t-Quark ist nicht möglich.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Murray Gell-Mann (2007)
George Zweig (2015)

Modell mit drei Quarks: u, d, s[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Quark-Modell wurde 1964 unabhängig voneinander von den Physikern Murray Gell-Mann[8] und George Zweig[9] vorgeschlagen. Zu dieser Zeit 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. 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.[10]

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.

Substruktur von Proton und Neutron[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 blieb „Parton“ als Sammelbegriff für die Bestandteile der Hadronen (Quarks, Antiquarks und Gluonen) in Gebrauch. In der Folge konnte man durch die Analyse der Strukturfunktionen nachweisen, dass die Teilchen Spin 12 und drittelzahlige elektrische Ladungen hatten.

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, das 1947 in der kosmischen Strahlung entdeckt wurde, und die Hyperonen.

Charm-Quark[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In weniger als einem Jahr nach seiner Veröffentlichung 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 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.

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.

Charm-Quarks wurden im November 1974 („November-Revolution“) fast gleichzeitig von zwei Teams erzeugt – eines am SLAC unter Burton Richter[11] und eines am Brookhaven National Laboratory unter Samuel Ting.[12] 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.

Bottom-Quark[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In den folgenden Jahren erschienen eine Reihe von Vorschlägen zur Erweiterung des Quarkmodells auf sechs Quarks. Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa stellten 1973 fest, dass die experimentelle Beobachtung der CP-Verletzung erklärt werden könnte, wenn es ein drittes Quarkpaar gäbe.[13] Die Arbeit von Haim Harari aus dem Jahr 1975 war 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.

Top-Quark[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Theoretische Analysen anderer Experimente lieferten in den folgenden Jahren immer genauere Voraussagen für die Masse des Top-Quarks. Es wurde deutlich, dass sie weit höher sein musste, als die Masse der anderen Quarks. 1995 wurde das Top-Quark schließlich nachgewiesen, ebenfalls von den Teams CDF und am Fermilab. Seine Masse war fast so groß wie die eines Goldatoms.[14]

Etymologie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.[15][16] Ins Reich der Legende gehört hingegen die im deutschen Sprachraum gleichwohl verbreitete Geschichte,[17] Joyce hätte das Wort Quark ursprünglich auf einer Reise durch Deutschland gehört und übernommen.[18] 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-Flavours 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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wiktionary: Quark – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Quark (Physik) – Album mit Bildern

Anmerkungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. In der Teilchenphysik wird oft in natürlichen Einheiten gerechnet, wobei Massen aufgrund der Äquivalenz von Masse und Energie E0 = mc2 in der Energieeinheit Elektronenvolt (eV) angegeben werden. Dabei entspricht 1 MeV einer Masse von ca. 1,8 · 10−30 kg.
  2. Aus der elektromagnetischen Wechselwirkung ist das Auftreten virtueller Elektron-Positron-Paare bekannt (Vakuumpolarisation), die aber nur einen sehr kleinen Einfluss haben. Im Fall der starken Wechselwirkung hingegen ist der Einfluss des „Quark-Sees“ weit stärker.
  3. In Prozessen höherer Ordnung ist Flavour-Änderung ohne Ladungsänderung möglich. Ein Beispiel hierfür ist das Pinguin-Diagramm.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b c P.A. Zyla et al. (Particle Data Group): 2020 Review of Particle Physics, Quarks Summary Tables. In: Prog. Theor. Exp. Phys. 2020, 083C01 (2020). Particle Data Group, abgerufen am 6. Juni 2021 (englisch).
  2. a b P.A. Zyla et al. (Particle Data Group): 2020 Review of Particle Physics, Reviews: Top Quark. In: Prog. Theor. Exp. Phys. 2020, 083C01 (2020). Particle Data Group, abgerufen am 6. Juni 2021 (englisch).
  3. J. Steinberger: Learning about Particles. Hrsg.: Springer. 2005, ISBN 978-3-540-21329-1, S. 130 ff.] (archive.org).
  4. C. Fischer, A. Maas, J. Pawlowski: On the Infrared Behavior of Landau Gauge Yang–Mills Theory. In: Annals of Physics. Band 324, Nr. 11, November 2009, S. 2408–2437, doi:10.1016/j.aop.2009.07.009 (amerikanisches Englisch).
  5. Jeff Greensite: Introduction to the Confinement-Problem. 1. Auflage. Springer, Berlin 2011, ISBN 978-3-642-14381-6.
  6. R. Alkofer, J. Greensite: Quark Confinement: The Hard Problem of Hadron Physics. In: Journal of Physics. G, Nr. 34, 2007, doi:10.1088/0954-3899/34/7/S02, arxiv:hep-ph/0610365.
  7. Christoph Blume, Klaus Rabbertz, Stefan Tapprogge: Die starke Seite des LHC. In: Physik Journal 11 (2012), Heft 4, 45–49 (online, Beispiel siehe Abb. 6)
  8. M. Gell-Mann: A Schematic Model of Baryons and Mesons in Phys. Lett. 8, 1964, 214–215, doi:10.1016/S0031-9163(64)92001-3.
  9. G. Zweig: An SU(3) Model for Strong Interaction Symmetry and Its Breaking I+II. 1964, CERN Preprint CERN-TH-401
  10. Vladimir A. Petrov: Half a Century with Quarks. In: 30th International Workshop on High Energy Physics : Particle and Astroparticle Physics, Gravitation and Cosmology: Predictions, Observations and New Projects. (IHEP 2014). 2014, doi:10.1142/9789814689304_0027, arxiv:1412.8681.
  11. SLAC-SP-017 Collaboration (J. E. Augustin et al.): Discovery of a Narrow Resonance in e+ e- Annihilation. In: Phys. Ref. Lett. Band 33, 1974, S. 1406–1408, doi:10.1103/PhysRevLett.33.1406 (slac-pub-1504). slac-pub-1504 (Memento des Originals vom 10. März 2007 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.slac.stanford.edu
  12. E598 Collaboration (J. J. Aubert et al.): Experimental Observation of a Heavy Particle J. In: Phys. Rev. Lett. Band 33, 1974, S. 1404–1406, doi:10.1103/PhysRevLett.33.1404.
  13. Makoto Kobayashi, Toshihide Maskawa: CP Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction. In: Prog. Theor. Phys. Band 49, Nr. 2, 1973, S. 652–657, doi:10.1143/PTP.49.652.
  14. CDF Collaboration (F. Abe et al.): Observation of Top Quark Production in p p Collisions. In: Phys. Rev. Lett. Band 74, 1995, S. 2626–2631, doi:10.1103/PhysRevLett.74.2626, arxiv:hep-ex/9503002.
  15. The American Heritage Dictionary of the English Language (online), abgerufen am 2. Oktober 2020
  16. Luca Crispi, Sam Slote: How Joyce Wrote Finnegans Wake. A Chapter-by-chapter Genetic Guide. University of Wisconsin Press, 2007, S. 345.
  17. Harald Fritzsch: Das absolut Unveränderliche. Die letzten Rätsel der Physik. 2007, ISBN 978-3-492-24985-0, S. 99.
  18. Harald Beck: Alles Quark? Die Mythen der Physiker und James Joyce. Literaturportal Bayern, 2. Februar 2017, abgerufen am 2. Oktober 2020. Verbreitet wurde diese Legende beispielsweise in der Zeit vom 16. September 2020: Quarks sind so real wie der Papst, abgerufen am 2. Oktober 2020.