Quark

Die Quarks sind nach dem Standardmodell der Physik die fundamentalen Bausteine der Materie. Um die in den sechziger Jahren zu einer fast unübersehbaren Menge angewachsene Zahl der Elementarteilchen in ein Schema einzuordnen, wurde das Standardmodell entwickelt. Dieses Modell entstand aus Symmetriebetrachtungen am Reißbrett. Darin wurde postuliert, dass Nukleonen Unterstrukturen haben, die damals als Partonen bezeichnet wurden. Der Physiker Murray Gell-Mann gab ihnen später den Namen Quarks.

„Haben Quarks eine reale Existenz als Teilchen? Das ist möglicherweise eine mehr erkenntniskritische als physikalische Frage. Noch ist es in keinem Experiment gelungen, freie Quarks zu erzeugen und dies ist aus gleich zu schildernden Gründen auch vielleicht unmöglich. Aber das Quark-Modell hat eine enorme Vorhersagekraft. Die Natur verhält sich also, "als ob" es Quarks gabe. Ähnlich ist es bei anderen Erscheinungen. Die Natur verhält sich z.B. auch so, "als ob" ein Elektron einmal Teilchen und einmal Welle wäre. Daran haben wir uns längst gewöhnt, und niemand stellt die Frage, was ein Elektron "wirklich" sei. In diese Kategorie gehört wohl auch die Frage nach der "wirklichen" Existenz von Quarks.“

Geschichte

Mit dem Nachweis immer neuer Mesonen und Baryonen, zuerst in der Höhenstrahlung, später mit Teilchenbeschleunigern, der schließlich zum scherzhaften Ausdruck „Teilchenzoo“ führte, war klar, daß diese nicht elementar sein konnten. Ebenso deuteten Versuche mit hochenergetischen Leptonen, die tiefinelastische Streuung zeigten darauf hin, dass Nukleonen aus kleineren Teilchen, die damals Partonen genannt wurden, aufgebaut sind. Der Physiker Murray Gell-Mann ordnete deshalb die entdeckten Teilchen in Oktetts (siehe links) und Dekupletts an. Auf den einzelnen Achsen schrieb er bekannte Erhaltungsgrößen wie den von Heisenberg eingeführten Isospin I₃, die elektrische Ladung Q und die Strangeness S. Um alle Punkte des Oktetts zu besetzen, war die Annahme von drei Teilchen notwendig: u für Up, d für Down, benannt nach dem Isospin von +1/2 für das Proton, und -1/2 für das Neutron. Allerdings musste Gell-Mann ein neues Quark einführen, das „seltsame“ Strange-Quark s mit der Strangeness S, um alle Felder im Oktett erklären zu können.

Nach 1974 wurden bei Teilchenreaktionen weitere Erhaltungsgrößen entdeckt, denen nach der gleichen Logik wie bei der Seltsamkeit S neuen Quantenzahlen zugeordnet wurden. Diese sind die Charmness C und die Bottomness B', welche zu der Postulierung zweier weiterer Quarks, dem Charm- und dem Bottom-Quark c und b führten. Ein sechstes, das Top-Quark t, wurde 1994 bei Antiproton-Proton-Stößen gefunden.

Bei der Anwendung des Modells trat allerdings ein erhebliches Problem auf. Für das Ω^--Baryon und das Δ⁺⁺-Baryon wurde das Pauli-Prinzip verletzt, welches besagt, dass zwei Teilchen nicht in allen Quantenzahlen übereinstimmen können. Deshalb wurde in einem Kunstgriff ad hoc ein neuer Freiheitsgrad mit drei Werten eingeführt, den man Farbladung nannte. Die Einführung des Farbfreiheitsgrades erlaubte nun die Einführung der Regel, dass zu jeder Farbe eine Antifarbe existiert. Antiquarks tragen diese Antifarbe. Die Kombination der drei Farben ergibt farblos bzw weiß, ebenso die Kombination einer Farbe mit ihrer Antifarbe. Anfangs nur eine mathematische Fingerübung, hat sich das Konzept als Gold erwiesen. Die starke Wechselwirkung kann damit erklärt werden, ebenso, warum Quarks nicht in freier Wildbahn beobachtet werden können.

Eigenschaften

Quarks unterliegen allen Grundkräften der Physik. Der Gravitation durch ihre Masse, der starken Wechselwirkung über die Farbladungen, der elektromagnetischen Wechselwirkung aufgrund ihrer Coulombladung, und der schwachen Wechselwirkung. Da die ursprünglichen kleinsten Teile, die Protonen durch das Quarkmodell weiter unterteilt werden, haben Quarks die Coulombladung +2/3 oder -1/3. Bei Mesonen kommen Quark und Antiquark zusammen sodass sich die Ladung der Quarks neutralisiert; bei den Baryonen kommt durch die Summe stets e⁺ (zB Proton) oder e^- (zB Antiproton) oder 0 (zB Neutron) heraus.

Die Quarks unterliegen auch der schwachen Wechselwirkung, was die Ursache für die Umwandlung von Nukliden ist. Die einzelnen Umwandlungspfade haben unterschiedliche Wahrscheinlichkeiten. So ist es sehr wahrscheinlich, dass sich ein Top zu Bottom wandelt, Charm zu Strange und Down zu Up. Letzteres sorgt für die Umwandung des Neutrons in ein Proton. Andere Pfade, wie von Charm zu Down u.v.m. sind möglich. Letztlich ist das Up-Quark das stabilste; es braucht zwei Protonen im Atomkern als Reaktionspartner. Im Folgenden sind die wahrscheinlichsten Quarkumwandungen aufgeführt; das W* steht für ein virtuelles W-Boson:

Quarkumwandlung	Beispielreaktion	Kommentar
$u\rightarrow d+W^{*+}$	$p+p\rightarrow p+n+e^{+}+\nu _{e}$	Beta-Plus-Emission
$d\rightarrow u+W^{*-}$	$n\rightarrow p+e^{-}+{\overline {\nu }}_{e}$	Beta-Minus-Emission
$s\rightarrow u+W^{*-}$	$K^{-}\rightarrow \pi ^{0}+e^{-}+{\overline {\nu }}_{e}$	Kaonzerfall
$c\rightarrow s+W^{*+}$	$D^{+}\rightarrow K^{-}+\pi ^{0}+\pi ^{+}+e^{+}+\nu _{e}$	D-Meson-Zerfall
$b\rightarrow c+W^{*-}$	$B^{0}\rightarrow \mathrm {D} ^{*-}+e^{+}+\nu _{e}$	B-Meson-Zerfall
$t\rightarrow b+W^{*+}$	Lebensdauer des Top-Quarks nur 4,2 × 10−25 Sekunden

Die genannten W-Bosonen als Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung haben zusammen mit den Z-Bosonen große Massen von etwa 80 GeV/c² bzw. 91 GeV/c². Daher muss man in die Bewegungsgleichungen für die genannten Teilchen Massenterme einfügen. Die Eichfelder, mit denen die Eichbosonen beschrieben werden, ändern sich dann aber bei den so genannten Eichtransformationen, was die Eichinvarianz der Bewegungsgleichung verletzen würde. Aus diesem Grund wurde das Higgs-Feld postuliert, welches den Teilchen ihre Masse geben soll. Dadurch wurden die Masseterme elegant herausdefiniert. Auch diese rein mathematische Idee war Gold. Das so errechnete Higgs-Boson wurde 2012 am LHC entdeckt.

Geschmacksrichtungen

Die unterschiedlichen Quarks werden als Geschmacksrichtungen (engl. flavours) bezeichnet. Die nachfolgende Tabelle listet den Gesamtdrehimpuls J, die Coulombladung Q, den Isospin I₃, die Carmness C, die Strangeness S, die Topness T und die Bottomness B' für alle Quarks auf. Ebenso sind die Antiquarks genannt, welche die gleiche Masse und den gleichen Gesamtdrehimpuls wie die Quarks haben, aber entgegengesetzte Quantenzahlen. Die Masse der Quarks wird durch das Higgs-Feld erzeugt, die Masseangaben in der Tabelle haben statistische und systematische Unsicherheit angezeigt. Die Massenverhältnisse sind auch im Bild rechts dargestellt, wobei unten links ein Proton und Elektron zum Vergleich abgebildet sind. Je größer die Kugel, desto größer die Masse. In der mathematischen Praxis haben Quarks wie alle Elementarteilchen keine räumliche Ausdehnung.

Quark Geschmacksrichtungen

Teilchen	Symbol	Masse (MeV)	J	Q	I3	C	S	T	B′	Antiteilchen	Symbol
Erste Generation
Up	$u$	2.3±0.7±0.5	1/2	+2/3	1/2	0	0	0	0	Antiup	${\overline {u}}$
Down	$d$	4.8±0.5±0.3	1/2	−1/3	−1/2	0	0	0	0	Antidown	${\overline {d}}$
Zweite Generation
Charm	$c$	1275±25	1/2	+2/3	0	+1	0	0	0	Anticharm	${\overline {c}}$
Strange	$s$	95±5	1/2	−1/3	0	0	−1	0	0	Antistrange	${\overline {s}}$
Dritte Generation
Top	$t$	173210±510±710	1/2	+2/3	0	0	0	+1	0	Antitop	${\overline {t}}$
Bottom	$b$	4180±30	1/2	−1/3	0	0	0	0	−1	Antibottom	${\overline {b}}$

Zitat

„It is important to remember that words like this get used in spit-balling sessions and then stick. You have to think of a couple of guy sitting by a black board, coffee in hand saying something like

OK, OK! SO that doesn't work. But what if we assume these things come in three flavors and ...

It's just a word made up on the spot. That said, I think that "up" and "down" came from an analogy with spin. "Strange" interaction were so called because they violated rules of thumb for other known interactions...

After that things got out of hand.“

– dmckee