Wie werden Quarks nachgewiesen?

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Es ist tatsächlich recht komplex, deshalb ist es nicht so einfach eine gute Erklärung zu finden. Ich kann nicht die ganze Geschichte erzählen, sondern nur einen kleinen Teil, aber ich denke, der gibt schon einen guten Einblick in die Materie (leider wird selbst in Vorlesungen zur Elementarteilchenphysik nicht der komplette historische Weg beschrieben sondern nur die wichtigsten Experimente und natürlich der aktuelle Stand der Forschung).

Ursprünglich beobachtete man einen großen Haufen Hadronen mit unterschiedlichen Massen, Ladungen und Spins (diese Eigenschaften kann man experimentell messen, bei Bedarf kann ich hier Details nachliefern). Man versuchte dieses Teilchenzoo zu systematisieren und elementarere Teilchen zu finden, aus denen sich all diese Hadronen zusammensetzen ließen.

Zunächst stellte man fest, dass die Hadronen sich in zwei Gruppen teilen lassen: Baryonen und Mesonen. Ursprünglich klassifizierte man die Teilchen nach Masse in diese beiden Kategorien (Baryonen sind schwer, Mesonen sind mittelschwer; daneben gab es noch Leptonen, die leicht sind, diese sind aber gar keine Hadronen). Später stellte man fest, dass die Massen fließend ineinander übergehen, die Klassifizierung also so nicht viel Sinn macht. Ich weiß nicht, was genau den Ausschlag gegeben hat, aber heute nennt man Hadronen mit ganzzahligem Spin (0 oder 1) Mesonen, während Hadronen mit halbzahligem Spin (1/2 oder 3/2) Baryonen genannt werden.

Namen hin oder her, man wusste, dass Hadronen halbzahligen und ganzzahligen Spin haben können, also sollten die zugrunde liegenden Elementarteilchen (nennen wir sie schon mal Quarks, obwohl der Name erst später kam) halbzahligen Spin haben. Kombiniert man dann zwei von ihnen, dann wird der Spin ganzzahlig (1/2 + 1/2 = 1 und 1/2 - 1/2 = 0), kombiniert man drei von ihnen, dann wird der Spin halbzahlig (1/2 + 1/2 + 1/2 = 3/2 und 1/2 + 1/2 - 1/2 = 1/2).

Nun stellte sich die Frage, welche Ladungen die Quarks haben müssen. Die Ladungen sollten so sein, dass Baryonen, also Kombinationen von drei Quarks, mit den Ladungen 0 (Neutron), 1 (Proton), 2 (Delta++ Teilchen) herauskommen können. Zugleich sollten Mesonen, also Kombinationen von zwei Quarks, mit Ladungen 0 (pi0) und 1 (pi+) herauskommen können. Dazu natürlich die entsprechenden Antiteilchen mit jeweils der negativen Ladung, aber die sollten sich aus passenden Antiquarks zusammensetzen lassen.

Du kannst ja selbst etwas mit den Zahlen spielen und schauen, was dir so einfällt. :) Die Physiker sind irgendwann mit der Idee gekommen, ein Quark mit Ladung +2/3 und eins mit Ladung -1/3 zu verwenden. Das positiv geladene Quark nannte man Up-Quark und das negativ geladene entsprechend Down-Quark. Du siehst, wenn man drei Up-Quarks kombiniert, kommt man genau auf die Ladung 3*2/3=2 des Delta++ Teilchens. Kombiniert man zwei Ups mit einem Down, dann kommt man auf 2*2/3-1/3 = 1, also die Ladung des Protons. Und kombiniert man ein Up mit zwei Downs, dann kommt man auf 2/3-2*1/3 = 0, also die Ladung eines Neutrons.

Mit entsprechenden Antiteilchen, also einem Anti-Down mit Ladung +1/3 und einem Anti-Up mit Ladung -2/3 kommt man auch auf die entsprechenden Antiteilchen, und insbesondere auch auf die Mesonen, zum Beispiel braucht man ein Up und ein Anti-Down um auf ein pi+ zu kommen, denn 2/3 + 1/3 = 1. So kann man alle möglichen Hadronen mit passender Ladung und passendem Spin aus zwei Quarks und ihren Antiquarks bauen.

Das hat schon mal ganz gut geklappt, allerdings schaute man irgendwann etwas genauer hin und stellte fest, dass die Zerfallszeiten von instabilen Hadronen sich in zwei Kategorien ordnen lassen: Manche Hadronen zerfallen viel langsamer als andere! Um das zu erklären, hatte man die Idee zwei Wechselwirkungen einzuführen, später bekannt als schwache und starke Wechselwirkung. Wenn nun ein Hadron auf beide Arten zerfallen kann, dann "gewinnt" natürlich die starke Wechselwirkung, denn die findet schneller statt und die schwache kommt gar nicht zum Zug. Wenn ein Hadron aber nur über die schwache Wechselwirkung zerfallen kann, dann muss es eben die schwache sein. Die Frage ist bloß: Was soll die starke Wechselwirkung daran hindern zum Einsatz zu kommen?

Und da kamen die Physiker wieder mit einer Idee. Sie haben gesagt: Wir geben den Hadronen zusätzlich zu den Quantenzahlen Spin und Ladung noch eine zusätzliche Quantenzahl, die "Strangeness" (die "Seltsamkeit"). Wenn sich die Strangeness bei einer Reaktion ändert (also die Eingangsteilchen insgesamt eine andere Strangeness haben als die Ausgangsteilchen), dann muss die Wechselwirkung schwach gewesen sein, der starken Wechselwirkung ist es verboten die Strangeness zu ändern. Und so hat man manche der Hadronen mit der Strangeness-Quantenzahl "gebrandmarkt".

Wie lässt sich nun die Strangeness im Quarkmodell, aktuell noch bestehend aus einem Up- und einem Down-Quark, berücksichtigen? Man führte ein drittes Quark ein, des Strange-Quark, das die gleichen Eigenschaften hat wie das Up-Quark aber zusätzlich noch die Strangeness von 1 (Up und Down haben eine Strangeness von 0).

Das ist der Teil der Geschichte, der mir bekannt ist. Leider weiß ich nicht, wie es zur Einführung der anderen drei Quarks kam, aber die Idee dürfte ähnlich sein wie beim Strange-Quark.

Und noch die Sache mit den Farben: Nach den vorherigen Überlegungen wollen wir 2 oder 3 Quarks zu einem Hadron kombinieren können. Zudem sollen Hadronen nicht weiter mittels der Kernwechselwirkungen mit anderen Hadronen wechselwirken können, erst wenn sie sich sehr sehr nahe kommen bzw. sogar auseinanderbrechen. Also entschied man sich dafür die Ladung der Kernwechselwirkung (irgendwann wurde die Konstruktion der starken Wechselwirkung zugeordnet) drei Werte annehmen zu lassen und nannte sie wie die drei Farben, aus denen sich alle Farben des Spektrums mischen lassen, rot grün und blau.

Mischt man drei unterschiedliche Farben (kommen also drei Quarks mit lauter unterschiedlichen Farben zusammen), dann entsteht Weiß - Baryonen sind also weiß oder farbneutral, wechselwirken also nach außen nicht mehr mittels der starken Wechselwirkung. Kommt nun eine Farbe und die entsprechende Antifarbe (zum Beispiel rot und antirot), dann entsteht auch weiß. Mesonen sind genau so aufgebaut, aus einem Quark und dem Antiquark passender Farbe, auch sie wechselwirken also nach außen nicht mehr mittels starker Wechselwirkung.

So konnte man ziemlich geschickt alle beobachteten Eigenschaften der Hadronen modellieren durch nur wenige Elementarteilchen, die Quarks.

Quarks kann man nicht einzeln bekommen, das liegt an den merkwürdigen Eigen­schaf­ten der Kraft, die sie in den Hadronen zusammenhält. Wenn man einem Hadron ein Quark „ausreißen“ möchte, dann braucht man dazu so viel Energie, daß die sich nach E=mc² in Materie umwandelt, und man kriegt dann neue Quark-Anti­quark-Paare an den Kopf geworfen.

Also muß man es indirekt machen, und zwar so, wie man es in der Hochenergie­physik immer macht: Man wirft irgendetwas mit hoher Wucht auf irgendetwas anderes, und schaut sich die Trümmer an, die dabei entstehen. Sowas nennt man elegant „Streuversuch“.

Wenn man das unter sehr sorgfältig kontrollierten Bedingungen macht, und wenn man dabei alle Trümmer sehr sorg­fältig detektiert, dann bekommt man ziemlich viele Daten. Dann kann man das auch theoretisch durch­rech­nen und stellt fest, daß die QCD (die Theorie, die sich mit Quarks und ihren Wechsel­wirkun­gen be­schäf­tigt) immer die Meß­ergeb­nis­se richtig vorhersagt. Das trägt dazu bei, daß die Physiker der QCD ziemlich vertrauen.

So sagt die QCD korrekt voraus, daß die Zahl der Baryonen (aber nicht die der Mesonen) in jedem Experiment erhalten ist. Oder das Quarks je nach Abstand stärker oder schwächer aneinander gebunden sind. Oder in welche Teilchen die schweren Quarks und die daraus gebildeten Hadronen zerfallen.

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