Quarks

Quarks, eine Gruppe von sechs fundamentalen Teilchen, die man heute als die Grundbestandteile der Materie ansieht. Quarks unterliegen der starken Wechselwirkung (siehe Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung). Deshalb zählt man sie zu den Hadronen, einer Gruppe von Elementarteilchen, zu denen beispielsweise auch das Proton, das Neutron und die Pionen gehören. Die Vorstellung von den Quarks wurde im Jahr 1963 unabhängig voneinander von den amerikanischen Physikern Murray Gell-Mann und George Zweig entwickelt. (Den Begriff Quark soll Gell-Mann der Phantasiebezeichnung eines schemenhaften Wesens in dem Roman Finnegans Wake des irischen Schriftstellers James Joyce entlehnt haben.)

Zunächst glaubte man, es gäbe drei Arten von Quarks: up, down und strange. Demnach bestehe beispielsweise das Proton aus einem down- und zwei up-Quarks. Erweiterte Theorien ließen jedoch ein viertes Quark vermuten. Im Jahr 1974 wurde seine Existenz experimentell bestätigt, und man gab ihm die Bezeichnung charm. Danach wurden aus theoretischen Gründen zur Erhaltung der Symmetrie ein fünftes und ein sechstes Quark postuliert: das bottom- und das top-Quark. Die ersten experimentellen Hinweise auf die Existenz des bottom-Quarks erhielt man bereits 1977, aber erst im April 1994 konnten Physiker am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) das top-Quark mit einiger Sicherheit nachweisen.

Für jedes der sechs Quarks gibt es ein Antiteilchen, und jedes der Quarks kommt in drei Formen vor, denen man willkürlich die Farben (colours; colors) Rot, Blau bzw. Grün zuschreibt. Demnach können die Antiteilchen (siehe Antimaterie) antirot, antiblau bzw. antigrün sein. Diese Benennungen haben aber nichts mit den Farben zu tun, die wir sehen können, sondern stellen jeweils eine bestimmte, kompliziert zusammengesetzte Quanteneigenschaft dar (siehe Quantenchromodynamik). Wenn Quarks sich zu Hadronen vereinigen, können sie und die Antiquarks nur in bestimmten Farbkombinationen vorliegen. Der hypothetische Träger der Kraft zwischen den Quarks ist das Gluon.

Gleich zu Beginn der Entdeckung von Quarks gab es Spekulationen, nach denen diese subatomaren Teilchen aus noch kleineren Bausteinen zusammengesetzt seien. Mitte der neunziger Jahre schienen erste Analysen von Versuchsdaten diesen Verdacht zu erhärten. In einer drei Jahre dauernden Versuchsreihe ließ man mit Hilfe des leistungsfähigen Teilchenbeschleunigers am Fermilab hochenergetische Protonen mit ihren Antiteilchen kollidieren. Die meisten der dabei entstehenden Quarks stießen nicht miteinander zusammen, sondern flogen aneinander vorbei, nur wenige der Quarks kollidierten wie erwartet frontal miteinander. Jedoch registrierten die Wissenschaftler darüber hinaus eine ungewöhnlich hohe Anzahl anderer heftiger Zusammenstöße. Sie ließen sich zunächst als Zusammenstöße von Quarks mit noch kleineren Teilchen interpretieren.

Daraufhin überprüften die Physiker am Fermilab nochmals die Ergebnisse. In der folgenden Analyse kamen sie zu dem Schluss, dass diese hohe Anzahl heftiger Zusammenstöße nicht von noch kleineren Teilchen herrührt. Der Verdacht, Quarks seien teilbar, ließ sich nicht bestätigen.

Durch den Austausch von Quarks lässt sich die Größe eines Atomkerns verringern. Eines der ersten Experimente hierzu gelang japanischen Kernphysikern im Frühjahr 2001. Die Forscher modifizierten hierbei den Kern eines Lithiumatoms, der sich aus drei Protonen und vier Neutronen zusammensetzt. Nach dem Pauli-Prinzip können in einem Atomkern maximal zwei Neutronen oder zwei Protonen den niedrigsten Energiezustand einnehmen. Die verbleibenden Nukleonen verteilen sich (jeweils paarweise) auf höhere Energieniveaus und machen den Atomkern größer. Ein Neutron besteht aus einem up-Quark und zwei down-Quarks. Die japanischen Physiker tauschten bei einem Neutron des Lithiumkerns ein down-Quark gegen ein strange-Quark aus, wodurch aus dem Neutron ein Lambda-Null-Teilchen entstand. Im Gegensatz zu Proton und Neutron folgt das Lambda-Null-Teilchen nicht dem Pauli-Prinzip und kann einen Platz auf dem niedrigsten Energieniveau im Kern einnehmen: Dadurch schrumpft die Größe des Kerns. Die Kernphysiker konnten beim Lithiumkern eine Verkleinerung um 20 Prozent feststellen.

Die Existenz von Teilchen aus fünf Quarks wird schon seit Ende der siebziger Jahre des 20. Jahrhunderts diskutiert. „Normale” Teilchen, wie z. B. das Neutron oder das Proton, setzen sich aus jeweils drei Quarks zusammen; Mesonen bestehen aus jeweils zwei Quarks. Die 2003 erzeugten „Pentaquarks” setzen sich offenbar aus zwei Up- und zwei Down-Quarks sowie einem Anti-Strange-Quark zusammen und sind erwartungsgemäß 5/3-mal schwerer als Protonen. Die Forschungsergebnisse lassen allerdings auch den Schluss zu, dass diese exotischen Gebilde keine Elementarteilchen sind, sondern eine eher molekülartige Form aufweisen, bestehend aus einem Neutron und einem positiv geladenen Kaon. Zur Klärung sind hier weitere Forschungen notwendig.