Quark (Physik)

Quarks innerhalb eines ProtonsEinProtonbesteht aus zwei Up-Quarks, einem Down-Quark sowie denGluonen,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	½
Baryonenzahl	⅓

Quarks([kwɔrks], [kwɑːks] oder [kwɑrks]) sindElementarteilchenund fundamentale Bestandteile derMaterie.Quarks verbinden sich zu zusammengesetzten Teilchen, dieHadronengenannt werden. Hierzu gehören dieProtonenundNeutronen,die Bestandteile derAtomkerne.Aufgrund eines Phänomens, das alsConfinementbekannt ist, werden Quarks nie isoliert gefunden, sondern nur gebunden in Hadronen oder inQuark-Gluon-Plasmen.

Quarks sind die einzigen Elementarteilchen imStandardmodell der Teilchenphysik,die allen vierfundamentalen Wechselwirkungen(starke Wechselwirkung,Elektromagnetismus,schwache Wechselwirkung,Gravitation) unterliegen, sowie die einzigen Teilchen, deren elektrische Ladungen keine ganzzahligen Vielfachen derElementarladungsind.

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 mit Abstand geringstenMasse.Die schwereren Quarks treten nur in sehr kurzlebigen Hadronen auf, die beihochenergetischenKollisionen (z. B. mitkosmischer Strahlungund inTeilchenbeschleunigern) entstehen und durch die Schwache Wechselwirkung zerfallen. Zu jedem Quark-Flavour gibt es das entsprechendeAntiteilchen(Antiquark),dessen elektrische Ladung und andereQuantenzahlenentgegengesetzte Vorzeichen haben.

Eigenschaften

Gene- ration	Name	Sym­bol	Ladung	Flavour- Quanten­zahl	Masse (MeV)
1	Down	d	−1⁄3e	Iz= −1⁄2	000004,70 ± 0,07
	Up	u	+2⁄3e	Iz= +1⁄2	000002,16 ± 0,07
2	Strange	s	−1⁄3e	S= −1	000093,5 ± 0,8
	Charm	c	+2⁄3e	C= +1	001273,0 ± 4,6
3	Bottom	b	−1⁄3e	B′= −1	004183 ± 7
	Top	t	+2⁄3e	T= +1	172570 ± 290

Flavours

Die Quarks treten in sechs „Flavours“(englischGeschmacksrichtung,amerik. Englischflavor) auf, genannt up (u), down (d), strange (s), charm (c), bottom (b) und top (t). Diese Flavours werden durch die QuantenzahlenIsospin(I),Strangeness(S),Charm(C),Bottomness(B′)undTopness(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.

Antiteilchenvon Quarks werden Antiquarks genannt und durch einen Querstrich über dem Symbol für das entsprechende Quark bezeichnet, z. B.ufür ein up-Antiquark. Wie bei derAntimaterieim Allgemeinen haben Antiquarks die gleiche Masse, mittlere Lebensdauer und Spin wie ihre jeweiligen Quarks, aber die elektrische Ladung und andereLadungenhaben 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 sechs Flavours (Sorten) von Quarks haben sehr unterschiedliche Massen. Die Masse von Up- und Down-Quark beträgt nur wenige MeV/c²;das Top-Quark als mit großem Abstand schwerstes Quark hat eine Masse von 173 GeV/c².(Zum Vergleich: dasElektronhat eine Masse von 0,5 MeV/c².) Die drei Quarks mit der geringsten Masse (d, u, s) werden summarisch als „leichte Quarks “bezeichnet.

Spin

DerSpinist 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 reduziertePlanck-Konstanteist). Sie sind alsoFermionen(Teilchen mit halbzahligem Spin).

Parität

Als Fermionen haben Quark und Antiquark entgegengesetzte intrinsischeParität.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

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

Elektrische Ladung

Quarks haben gebrochene elektrische Ladungswerte. Up-, Charm- und Top-Quarks haben eine Ladung von +²⁄₃e,während Down-, Strange- und Bottom-Quarks eine Ladung von −¹⁄₃ehaben. Die Antiquarks haben jeweils die entgegengesetzte Ladung zu ihren entsprechenden Quarks, also −²⁄₃ebzw. +¹⁄₃e.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. Neutronen und Protonen, die Bestandteile des Atomkerns, 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

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 oderannihilieren.Dieses Verhalten wird mit einer Quantenzahl, derBaryonenzahlBbeschrieben, 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 +¹⁄₃und −¹⁄₃zuordnet. 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

In derQuantenchromodynamik(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 von 10⁻¹⁹m, 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 genanntenPräonenzusammengesetzt sein könnten – analog zu den Atomen und zu den Hadronen, die ursprünglich auch als elementar galten. Dies ist aber reine Spekulation; es gibt keinerlei experimentelle Hinweise auf eine Substruktur.

Einordnung im Standardmodell

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

!Quarks	!Austauschteilchen
!Leptonen	!Higgs-Boson

DasStandardmodellist der theoretische Rahmen, der alle bekannten Elementarteilchen beschreibt. Dieses Modell enthält neben den sechs Flavours von Quarks auch dieLeptonen.Zwischen Leptonen und Quarks bestehen auffällige Parallelen: Beide sind Spin-½-Teilchen, unterliegen damit alsFermionendemPauli-Ausschlussprinzip,das besagt, dass keine zwei identischen Fermionen gleichzeitig den gleichenQuantenzustandeinnehmen können. Beide kann man in drei Generationen einteilen, die jeweils aus zwei Leptonen bzw. zwei Quarks bestehen, die sich in der elektrischen Ladung um 1eunterscheiden. 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·(⅔–⅓) = 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. mitkosmischer Strahlung) entstehen und zerfallen schnell. Man nimmt an, dass sie in den ersten Sekundenbruchteilen nach demUrknallvorhanden waren, als sich das Universum in einer extrem heißen und dichten Phase befand. Untersuchungen von schwereren Quarks werden unter künstlich geschaffenen Bedingungen, z. B. inTeilchenbeschleunigern,durchgeführt.

Mit Farbladung, elektrischer Ladung, Flavour und Masse sind Quarks die einzigen bekannten Elementarteilchen, die an allen vierfundamentalen Wechselwirkungender heutigen Physik beteiligt sind: starke Wechselwirkung, Elektromagnetismus, schwache Wechselwirkung und Gravitation.

Starke Wechselwirkung

Farbladung

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

Siehe auch:Farbladungundstarke Wechselwirkung

Quarks besitzen eine Eigenschaft, dieFarbladunggenannt 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, wirdQuantenchromodynamik (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 dasadditive Farbmodellin derGrundlagenoptikund war der Grund für die Bezeichnung „Farbladung “.

Bildung von Hadronen

Aus Quarks zusammengesetzte Teilchen werdenHadronengenannt. Man unterscheidet dabei zwischenMesonen(Hadronen mit ganzzahligem Spin) undBaryonen(Hadronen 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 (qq– Mesonen), Kombinationen aus drei Quarks (qqq – Baryonen) oder drei Antiquarks (qqq–Antibaryonen), nicht aber einzelne Quarks. Dieses Phänomen nennt man „Confinement“(sieheAbschnitt unten). Ein Nebeneffekt dieser Einschränkung ist, dass Hadronen immer ganzzahlige elektrische Ladungen tragen.

Es ist eine dreistellige Anzahl von Hadronen bekannt (sieheListe der BaryonenundListe 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 desAtomkerns.Im frühen 21. Jahrhundert wurden „exotische Hadronen “mit anderer Zusammensetzung entdeckt:Tetraquarks(qqqq) undPentaquarks(qqqqq). Auch diese sind farbneutral.

Kopplung durch Gluonen

Wie von der Quantenchromodynamik beschrieben wird die starke Wechselwirkung durchGluonenvermittelt, masseloseVektor-Eichbosonen,die an die Farbladung der Quarks koppeln. Im Rahmen einerstörungstheoretischenBehandlung der starken Wechselwirkung werden ständigvirtuelleGluonen zwischen Quarks durch einen Emissions- und Absorptionsprozess ausgetauscht.

Confinement und Asymptotische Freiheit

→Hauptartikel:ConfinementundAsymptotische Freiheit

Gluonen tragen Farbladung und sind daher selbst in der Lage, andere Gluonen zu emittieren und zu absorbieren. Dadurch unterscheidet sich die Kraft zwischen Farbladungen fundamental von der Kraft zwischen elektrischen Ladungen: Sie nimmt mit wachsendem Abstand zu und nähert sich einer Konstanten. Ein Quark als einzelnes Teilchen ganz herauszulösen würde unendlich viel Energie erfordern. Dieses Phänomen ist alsConfinement(Einschließung) bekannt: Quarks treten niemals isoliert auf. Umgekehrt wird die chromodynamische Bindungskraft zwischen Quarks um so schwächer, je näher sie sich kommen. Man nennt diesasymptotische Freiheit.

Wird ein Quark in einer hochenergetischen Kollision erzeugt oder aus einem Hadron herausgeschlagen, wird die Feldenergie mit wachsendem Abstand schließlich so groß, dass Paare von Quarks und Antiquarkserzeugt werden.Diese Paare verbinden sich mit den zu trennenden Quarks, wodurch neue Hadronen entstehen. Dieser Prozess wirdHadronisierunggenannt.

Valenzquarks und Seequarks

ImQuantenfeldder Gluonen, das die Kräfte zwischen den Quarks innerhalb eines Hadrons vermittelt, werden beständigvirtuelleQuark-Antiquark-Paareerzeugt und vernichtet, die manSeequarksnennt. In Abgrenzung dazu bezeichnet man die zwei bzw. drei reellen Quarks, aus denen Mesonen und Baryonen aufgebaut sind und die deren Quantenzahlen bestimmen, alsValenzquarks.Der Einfluss der Seequarks lässt sich durch Messung derStrukturfunktionenmittelstief inelastischer Streuungbestimmen. Bei Zufuhr von Energie können Seequarks zu reellen baryonischen oder mesonischen Teilchen hadronisieren.

Konstituentenquarks und Stromquarks

→Hauptartikel:Konstituentenquark

In Hadronen, die aus leichten Quarks zusammengesetzt sind, stammt ein großer Teil der Masse nicht von den Valenzquarks, sondern von den Gluonen und Seequarks des Kraftfelds (Äquivalenz von Masse und Energie). Ein Proton hat zum Beispiel eine Masse von etwa 938MeV/c²,zu der die Masse seiner drei Valenzquarks (zwei u und ein d) nur etwa 9 MeV/c²beiträgt.

Aus diesem Grund verhalten sich die Valenzquarks wie Teilchen deutlich höherer Masse. Man bezeichnet diese schwereren „effektiven “Valenzquarks alsKonstituentenquarks.Nur in Experimenten mit sehr hohen Energien und sehr hohen Impulsüberträgen ist die Ortsauflösung so groß, dass die Valenzquarks aufgrund der asymptotischen Freiheit alsfreie Teilchenerscheinen. Diese „nackten “Quarks nennt manStromquarks.Die Masse der u- und d-Konstituentenquarks liegt in der Größenordnung von 350 MeV/c².Für die schweren Flavours c und b hingegen ist der Unterschied zwischen Strom- und Konstituentenquarkmasse vergleichsweise gering; t-Quarks bilden keine gebundenen Zustände.Die in der Tabelle angegebenen Massen sind die der Stromquarks.

Quark-Gluon-Plasma

→Hauptartikel:Quark-Gluon-Plasma

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

Unter hinreichend extremen Bedingungen könnten Quarks aus gebundenen Zuständen „dekonfiniert “werden und sich als thermalisierte „freie “Anregungen im größeren Medium ausbreiten. Im Zuge derasymptotischen Freiheitwird die starke Wechselwirkung bei steigenden Temperaturen schwächer. Schließlich würde derConfinementin einem extrem heißenPlasmaaus frei beweglichen Quarks und Gluonen effektiv verloren gehen. Diese theoretische Phase der Materie wird alsQuark-Gluon-Plasmabezeichnet.

Bei ausreichend hohen Baryonendichten und relativ niedrigen Temperaturen – möglicherweise vergleichbar mit denen inNeutronensternen– wird erwartet, dass die Quarkmaterie zu einerFermi-Flüssigkeitaus schwach wechselwirkenden Quarks entartet. Diese Flüssigkeit wäre durch eineKondensationvon farbigen Quark-Cooper-Paarengekennzeichnet, wodurch die lokaleSU(3)_c-Symmetriegebrochen würde. Da Quark-Cooper-Paare Farbladung beherbergen, wäre eine solche Phase der Quark-Materiefarblich supraleitend,d. h. Farbladung könnte sie widerstandslos durchdringen.

Schwache Wechselwirkung

Übergangswahrscheinlich­keiten zwischen den Quarks aufgrund der schwachen Wechsel­wirkung, ver­deut­licht durch die Intensitäten der Linien

Ein Quark eines Flavours kann sich durch dieschwache 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 einesvirtuellenW-Bosonsbeschrieben. Die Umwandlung von einem Quark in einen anderen Flavour mit gleicher Ladung(flavour changing neutral current)ist in führender Ordnung ausgeschlossen.

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 Hadronen haben die QuarkzusammensetzungΛ⁰= dus, p = duu und π⁻= du.Man kann diesen Prozess so deuten, dass sich ein s-Quark in 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 Λ⁰hat eine Lebensdauer von2.6e^-10s;das ähnlich schwereΔ⁰(udd) hingegen, das über die starke Wechselwirkung ebenfalls in ein Proton und ein Pion zerfällt, hat eine Lebensdauer von nur3e^-23s.

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 Flavour-Transformationen werden durch eine 3×3-Matrix beschrieben, dieCabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix (CKM-Matrix).

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

Geschichte

Murray Gell-Mann (2007)

George Zweig (2015)

Modell mit drei Quarks: u, d, s

Das Quark-Modell wurde 1964 unabhängig voneinander von den PhysikernMurray Gell-MannundGeorge Zweigvorgeschlagen. Zu dieser Zeit gab es im „Teilchenzoo“neben anderen Teilchen eine Vielzahl vonHadronen.Gell-Mann und Zweig postulierten, dass sie keine Elementarteilchen seien, sondern aus Kombinationen von Quarks und Antiquarks bestünden. Ihr Modell sah drei Flavours 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 alsAchtfacher Wegbekannt ist – oder, technisch ausgedrückt, als SU(3)-Flavour-Symmetrie, die die Struktur rationalisiert. Der PhysikerJuval Ne’emanhatte im selben Jahr unabhängig ein dem Achtfachen Weg ähnliches Schema entwickelt. Ein früher Versuch der Teilchenorganisation war imSakata-Modell vorhanden. Auch der Schweizer PhysikerAndré Petermannpostulierte 1963 die Existenz der Quarks. Sein Manuskript wurde aber erst 1965 veröffentlicht und sein Beitrag geriet in Vergessenheit.

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

Feynman-Diagrammder 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:Streuexperimenteergaben einenFormfaktor,der auf eine räumliche Ausdehnung hinwies, und das magnetische Moment ergab einenLandé-Faktor,der deutlich von dem Wertg= 2 für punktförmige Teilchen abwich.1968 zeigten Experimente mittief inelastischer StreuungamStanford Linear Accelerator Center (SLAC),dass das Proton viel kleinere,punktförmige Objekteenthielt und daher kein Elementarteilchen war. Die Physiker zögerten damals, diese Objekte eindeutig mit Quarks zu identifizieren und nannten sie stattdessen „Partonen“– ein Begriff, der vonRichard Feynmangeprägt wurde. Die am SLAC beobachteten Objekte wurden später als Up- und Down-Quarks identifiziert, als die anderen Flavours entdeckt wurden. Dennoch blieb „Parton “als Sammelbegriff für die Bestandteile der Hadronen (Quarks, Antiquarks undGluonen) in Gebrauch. In der Folge konnte man durch die Analyse derStrukturfunktionennachweisen, dass die Teilchen Spin¹⁄₂und 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 dasKaon,das 1947 in der kosmischen Strahlung entdeckt wurde, und dieHyperonen.

Charm-Quark

In weniger als einem Jahr nach seiner Veröffentlichung wurden Erweiterungen des Gell-Mann-Zweig-Modells vorgeschlagen.Sheldon Lee GlashowundJames Bjorkensagten die Existenz eines vierten Flavour des Quarks voraus, den sie Charm nannten. Der Zusatz wurde vorgeschlagen, weil er eine bessere Beschreibung derschwachen Wechselwirkungerlaubte, die Anzahl der bekannten Quarks mit der Anzahl der bekanntenLeptonenausglich und eine Massenformel implizierte, die die Massen der bekanntenMesonenkorrekt reproduzierte.

In einer Arbeit aus dem Jahr 1970 präsentierten Glashow,John IliopoulosundLuciano Maianiden sogenanntenGIM-Mechanismus,um die experimentelle Nichtbeobachtung vonflavour-ändernden Neutralströmenzu erklären. Dieses theoretische Modell setzte die Existenz des noch unentdecktenCharm-Quarksvoraus.

Charm-Quarks wurden im November 1974 („November-Revolution“) fast gleichzeitig von zwei Teams erzeugt – eines am SLAC unterBurton Richterund eines amBrookhaven National LaboratoryunterSamuel Ting.Die Charm-Quarks wurden mit Charm-Antiquarks in Mesonengebundenbeobachtet. Die beiden Parteien hatten dem entdeckten Meson zwei verschiedene Symbole zugewiesen, J und ψ; so wurde es formell bekannt alsJ/ψ-Meson.Die Entdeckung überzeugte die Physikergemeinschaft endgültig von der Gültigkeit des Quarkmodells.

Bottom-Quark

In den folgenden Jahren erschienen eine Reihe von Vorschlägen zur Erweiterung des Quarkmodells auf sechs Quarks.Makoto KobayashiundToshihide Maskawastellten 1973 fest, dass die experimentelle Beobachtung derCP-Verletzungerklärt werden könnte, wenn es ein drittes Quarkpaar gäbe.Die Arbeit vonHaim Harariaus 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 amFermilabunter der Leitung vonLeon Ledermanbeobachtet. 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

→Hauptartikel:Top-Quark

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 von den TeamsCDFundDØam Fermilab schließlich nachgewiesen. Seine Masse war fast so groß wie die einesGoldatoms.

Etymologie

Eine Zeit lang war Gell-Mann unschlüssig über eine tatsächliche Schreibweise für den Begriff, den er prägen wollte, bis er inJames Joyce’ BuchFinnegans 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 Englischenkrächzenund der Satz handelt von einem Vogelchor, der den KönigMarkeaus derTristan-Sage verspottet.Ins Reich der Legende gehört hingegen die im deutschen Sprachraum gleichwohl verbreitete Geschichte,Joyce hätte das WortQuarkursprünglich auf einer Reise durch Deutschland gehört und übernommen.Gell-Mann ging in seinem 1994 erschienenen BuchThe Quark and the Jaguarnäher 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 ofFinnegans 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 inThrough 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 desIsospinsbenannt, die sie tragen. DieStrange-Quarkserhielten 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
• Quarkstern

Literatur

• Philip Bechtle, Florian Bernlochner, Herbi Dreiner, Christoph Hanhart, Josef Jochum, Jörg Pretz, Kristin Riebe:Faszinierende Teilchenphysik: Von Quarks, Neutrinos und Higgs zu den Rätseln des Universums.Springer, Berlin, 2023,ISBN 978-3-6626-7903-6.
• David Blaschke:Heavy quark physics.Springer, Berlin 2004,ISBN 3-540-21921-8.
• Hans G. Dosch:Jenseits der Nanowelt – Leptonen, Quarks und Eichbosonen.Springer, Berlin 2005,ISBN 3-540-22889-6.
• Harald Fritzsch:Quarks – Urstoff unserer Welt.Piper, München 2006,ISBN 3-492-24624-9.
• Maurice Jacob:The quark structure of matter.World Scientific, Singapore 1992,ISBN 981-02-0962-2.
• 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-VortragvonBurton Richter
• 1976 Physik-Nobelpreis-VortragvonSamuel C.C. Ting
• 2008 Physik-Nobelpreis-VortragvonMakoto Kobayashi
• 2008 Physik-Nobelpreis-VortragvonToshihide Maskawa
• The Top Quark And The Higgs Particle von T.A. Heppenheimer– Eine Beschreibung desCERN-Experiments zur Zählung der Quarkfamilien.