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Einleitung

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.