„Habe nun ach! Philosophie, Juristerei und Medizin, und leider auch Theologie! durchaus studiert mit heißem Bemühn. Da steh ich nun, ich armer Tor! und bin so klug als wie zuvor; heiße Magister, heiße Doktor gar, und ziehe schon an die zehen Jahr herauf, herab und quer und krumm meine Schüler an der Nase herum – und sehe, dass wir nichts wissen können!

Das will mir schier das Herz verbrennen!“ 

- Faust I, S. 354–365

Quarks

Quarks sind im Standardmodell der Teilchenphysik die elementaren Bestandteile der Hadronen.

1. Bestandteile der Hadronen

Ein Atom besteht aus einem Atomkern und einer Atomhülle. Elektronen, die zur Klasse der Leptonen gehören, bilden die Atomhülle. Der Atomkern setzt sich aus den beiden Nukleonen, dem einfach positiv geladenen Proton und dem neutralen Neutron zusammen, die zur Klasse der Hadronen zählen. Die Hadronen des Atomkerns, also Proton und Neutron, sind wiederrum nicht elementar, sondern aus noch kleineren Teilchen aufgebaut: Den Quarks.

2. Gruppierung

2.1. drei Generationen

Quark ist aber nicht gleich Quark. Wie bei den Leptonen gibt es nämlich auch bei den Quarks drei Gruppen: Die erste, zweite und dritte Generation (der Fermionen).

Die Generationen unterscheiden sich untereinander nur in einer einzigen Eigenschaft: der jeweiligen Masse. Die Divergenz der Massen ist jedoch eklatant. Je höher die Gruppenordnung, desto größer die Quarkmasse.

2.2. up und down, charm und strange, top und bottom

Jede dieser Generationen ist noch einmal in je zwei verschiedene Quarks unterschieden. Zu der Generation werden das Up-Quark und das Down-Quark gezählt. Die zweite Generation umfasst das charm-Quark und das strange-Quark und das top-Quark und das bottom-Quark sind schließlich in der dritten Generation unterteilt.

 

Es gibt also drei Mal zwei, sechs reguläre Quarks.

Interessanterweise setzt sich die gesamte uns umgebende Nukleon-Materie nur aus up- und down-Quarks (und eben Elektronen) zusammen. Die restlichen Quarks entstehen nur unter hochspezifischen Umständen, wie man sie etwa in Teilchenbeschleunigern herbeiführen kann. Die Frage, warum sich die Quarks und Leptonen in gerade fünf Familien zusammenfinden, gehört zu den größten in der gegenwärtigen Teilchenforschung.

2.3. Antiquarks

 

 

Nimmt man nun doch die Antiteilchen mit ins Boot, verdoppelt sich die Anzahl der Quarks noch einmal auf zwölf. Zu jedem Quark gibt es ein Antiquark mit entgegengesetzter Ladung. Die Antiquarks ordnen sich parallel in die Familie ihrer Partnerteilchen ein.

 

Familie

Quark

Antiquark

1.

down / up

anti-down / up-down

2.

strange / charm

anti-strange / anti-charm

3.

bottom / top

anti-bottom / anti-top

 

3. Farbladung

Ein Quark trägt eine sogenannte Farbladung. Damit sind natürlich keine Farben im klassischen Sinne gemeint. Der Rückgriff auf den Farbbegriff ist vielmehr dem Umstand geschuldet, dass es absolut keine Analogie aus dem Alltagsleben gibt, die so etwas wie die Farbladung der Quarks unserer Vorstellung greifbar machen könnte und die Mischung herkömmlicher Farben eine abstrakte Entsprechung zu den Farbladungen besitzt.

Farbladungen können drei Werte annehmen: Rot, grün und blau. Dementsprechend können Antiquarks die Farbladungen antirot, antigrün und antiblau aufweisen. Ähnlich wie die Kombination mehrere Farbscheinwerfer zu der Farbe Weiß überlagern kann, können sich auch die Farbladungen farblos überlagern. Quarks kommen nun nie einzeln vor (mehr dazu weiter unten). Ein Quark lässt sich also stets nur in Zusammenschluss mit mehreren weiteren Quarks beobachten. Es sind also nur Zusammenschlüsse von Quarks möglich und dort wieder nur diejenigen stabil, die in Kombination weiß ergeben.

4. elektrische Ladung

Neben der Farbladung tragen Quarks auch noch eine elektrische Ladung. Kurioserweise ist diese nicht ganzzahlig, wie sonst so oft. Die elektrische Ladung eines Quarks beträgt immer exakt + 2/3 oder – 1/3 der Elementarladung. Die Ladung eines up-Quark beträgt beispielsweise exakt zwei Drittel der positiven Elementarladung und die eines down-Quarks ein Drittel der negativen Elementarladung.

Beispiel: Verknüpfen wir nun etwa ein up-Quark mit zwei down-Quarks, laungstechnisch also: +(2/3)e und 2*(-1/3)e, hat das Dreiergebilde eine elektrische Ladungsumme von 0. Die elektrischen Ladungen heben sich genau auf und ein Neutron ist entstanden.

5. Confinement

·      4 Grundkräfte.

Ist Ihnen aufgefallen, dass bisher nur von „Quarks“ und nie von „dem einzelnen Quark“ die Rede war? Oder kam es Ihnen komisch vor, dass Quarks stets nur in bestimmten Gruppen vorkommen?

Das ist auch komisch: Ein Quark lässt sich derzeitig nicht isoliert beobachten. Quarks kleben zusammen und lassen sich deshalb nur zusammen beobachten. Ein freies Quark wurde noch nie beobachtet. Ursache für dieses Zusammenkleben sind die Gluonen, also die Teilchen, die die starke Wechselwirkung vermitteln. Ihren Namen haben die Gluonen bezeichnenderweise aus dem Englischen: to glue, zusammenkleben.

Die Gluonen kleben also die Quarks zusammen und umso weiter man die Quarks voneinander wegdrängt, desto stärker halten die Gluonen entgegen. Das ist vergleichbar mit einem Gummiband, das man zwischen zwei Bällen spannt. Befinden sich die Bälle in relativer Nähe zueinander, können sie sich noch mehr oder weniger frei bewegen. Sobald sich die Bälle aber voneinander entfernen, straffen die Gummibänder und halten die Bälle somit beisammen. Je stärker ich versuche die Bälle voneinander loszureißen, desto stärker arbeiten die Gummibänder gegen mich.

# Ball ≈ Quark / Gummiband ≈ Gluon.

Umso weiter ich beispielsweise also ein Quark aus einem Proton reißen möchte, desto mehr Kraft muss ich dafür aufwenden. Die Energie, die es braucht, um ein Proton in seine drei Quarks zu zerlegen, reicht aber schon aus, um infolgedessen ein oder mehrere weitere Teilchen aus Quarks zu erzeugen. Versucht man also ein aus Quark zusammengesetztes Teilchen auseinanderzureißen, hält man am Ende keine einzelnen Quarks in der Hand, sondern nur andere Teilchen aus neuen Quarkkonstellationen.

Fügt man einem Proton nun in der Hochenergiephysik enorm viel Energie zu, geht das Ganze soweit, dass man statt die gewöhnlichen drei Quarks nun einen kompletten Quark-See beobachten kann.

6. Verweise

  • Falsifikationismus: Gibt es so etwas wie Quarks überhaupt? Oder ist das Quark vielleicht nur eine hilfreiche Vorstellung, ein vorläufig erfolgreiches Modell, um die Welt zu erklären? Beschreiben, oder doch nur erklären? Der Falsifikationismus umgeht dieses epistemologische Problem gekonnt, indem er prinzipiell jede wissenschaftliche These als nichts weiter als eine zeitweilige Vermutung betrachtet. Solche Vermutungen könne man nur widerlegen, jedoch nicht beweisen.

 

  • Masse: Auch wenn der Atomkern nur 1/10.000 bis 1/100.000 des Durchmessers des Durchmessers eines Atomkerns ausmacht, der Löwenanteil stellt das Vakuum zwischen Atomkern und Atomhülle, so verdichtet sich im Atomkern doch über 99,99% der Masse des gesamten Atoms. Es lässt sich also mit Fug und Recht behaupten, Quarks machen mindestens 99,99% der Masse der Materie aus. Also von allem, womit sie täglich so in Berührung kommen. Siehe auch: Fast alles ist nahezu nichts.

 

  • Proton: Neutron: Einfache Beispiele für ein Hadron, das aus Quarks gebildet wird, sind eben Protonen und Neutronen. Ein Proton besteht aus zwei up-Quarks und einem down-Quark. Bei einem Neutron ist es genau umgekehrt. Es setzt sich aus einem up-Quark und zwei down-Quarks zusammen.

 

·        Referenz: Es ragen einige Mythen um den Namen Quark und wer ihn erfunden hat. Leider hat kein Physiker im Urlaub das deutsche Wort Quark für das Milchprodukt aufgefangen und sich gedacht, das wäre doch eine lustige Bezeichnung für Teilchen. Aber ganz falsch ist dieser Erklärungsansatz auch nicht, wie wir noch sehen werden.

Die eigentliche Namensgebung verlief zunächst aber einmal vergleichbar unorthodox: Der theoretische Physiker Murray Gell-Man, der die Existenz der Quarks vorhergesagt hatte, fand den Namen Quark in James Joyce Roman „Finnegans Wake.“ Dort heißt es: „[…] three quarks for Muster Mark […]“ Gell-Man fand dieses Wort und die Personen, die nach ihm hießen wohl ähnlich exotisch wie die von ihm postulierten Teilchen, weswegen er Letztere kurzerhand „Quarks“ nannte.

Joyce, der Autor des Romans, der Gell-Man inspirierte, schnappte das Wort Quark aber tatsächlich auf einer Durchreise auf dem Bauernmarkt in Freiburg im Breisgau auf, als die Marktfrauen ihre Milchprodukte umworben. Also stimmen beide Erklärungsansätze irgendwie: Der Roman und das Milchprodukt.

  • Spin: Quarks tragen einen Spin von ½ und sind folglich Fermionen. Im Gegensatz zu den Leptonen unterliegen Quarks allen Grundkräften der Physik.

 

  • Standardmodell: Quarks gehören gemäß dem Standardmodell der Teilchenphysik, das den aktuellen Forschungsstand innerhalb der Teilchenphysik widerspiegelt, zu den kleinsten uns bekannten Bausteinen der Materie. Doch sind sie auch wirklich die kleinsten Teilchen? Werden wir überhaupt eines Tages so etwas wie die letzte Matrjoschka-Puppe finden? Hier habe ich mich diesen und ähnlichen Fragen gewidmet: Teilchenphysik.

 

  • Teilchenbeschleuniger: In diesen großen Geräten für die kleinen Teilchen findet die praktische Quarkforschung statt.

 

Stand:  2014

Kommentare: 2
  • #2

    Hermann Scheuber (Donnerstag, 26 Oktober 2017 18:33)

    Im YouTube.com unter Standard Model picture kann das erweiterte Standardmodell mit allen 61 Elementarpartikeln Schritt für Schritt verfolgt werden.

  • #1

    Hsch31 (Sonntag, 10 Juli 2016 21:16)

    Gell-Mann verwendete den Begriff Quark, da auch diese unförmige Masse einen Schwerpunkt haben muss wie die Masse zwischen den 8 Baryonen, von denen er die Schwerpunkte der 6 Dreiecke eben als Quarks bezeichnete.
    Der DreiecksSchwerpunkt lautet ja für die LadungsMittellinie 1/3 unten (= -) & 2/3 oben, was eben für die Quarks auf den beiden 1/2 Spinkreisen gilt.


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