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Unsere Welt zu verstehen:  Quarks Struktur



 Beitrag 0-108
 
 

 
Wie Quarks die Struktur der Hadronen erklären

 
 
Die Quarks waren schon vor ihrer Endeckung von Gell-Mann und George Zweig theoretisch postuliert worden, um die sog. Hadronen (= Teilchen, die der starken Wechselwirkung unterliegen) zu erklären.
 
Die meisten Hadronen (wörtlich: dicke Teilchen) zerfallen binnen sehr kurzer Zeit in leichtere. Stabil ist einzig und allein das Proton.
 
Das Neutron, wenn frei auftretend, hat eine mittlere Zerfallszeit von etwa 11 Minuten. Beim Zerfall wird daraus ein Proton, ein Elektron und ein Neutrino. Im Atomkern dagegen, im Verbund mit Protonen, ist auch das Neutron stabil.
 
Hadronen sind entweder Baryonen ("schwere" Teilchen) oder Mesonen ("mittelschwere" Teilchen).
 
Viele davon wurden in den 50-er und 60-er Jahren entdeckt. Man dachte zunächst, all ihre Eigenschaften über das sog. Resonanzmodell erklären zu können. Es lief darauf hinaus, die Hadronen als eindimensionale Objekte (sog. "Strings") aufzufassen. Und in der Tat war genau dies die Geburtsstunde der Stringtheorie: Man schuf sie, das Spektrum der Hadronen zu erklären.
 
Die Baryonen traten als Gruppe von 10 verschiedenen Fermionen auf, die Mesonen aber als Gruppe von 8 unterschiedlichen Bosonen.
 
Es gehörte schon Genialität gepaart mit sehr guten mathematischen Kenntnissen dazu, um — wie Gell-Mann 3 Jahre später — zu erkennen, dass sich dieses Muster durch das Postulat einer Existenz von 3 unterschiedlichen Quarks mit Spin 1/2 erklären lässt:
 
    Rein nur aus Symmetriegründen dachte Gell-Mann, dass

    • die Baryonen aus 3 Quarks,
    • die Mesonen dagegen aus einem Quark und einem Antiquark

    zusammengesetzt sein müssten.
     
    Einige Jahre lang wurde seine Idee als zu abstrakt — als zu weit hergeholt — angesehen.

 
1968 aber änderte sich das schlagartig: Streuexperimente im Stanford Linear Beschleuniger (SLAC) hatten bewiesen, dass Protonen und Neutronen nicht strukturlos sein konnten. Man beschoss sie mit Elektronen und konnte sie so bis tief in ihr Inneres hinein abtasten. Festgestellt wurde:
 
 
Jedes Proton wie auch jedes Neutron besteht i.W. aus 3 noch kleineren Bestandteilen:
 
aus Quarks, wie Gell-Mann sie wenige Jahre vorher schon postuliert hatte.

 
 
Jedes Quark kommt in der Natur in 3 unterschiedlichen Varianten vor, die man "blau", "rot" und "grün" nennt.
 
Es ist dies eine zusätzliche Eigenschaft der Quarks, die man bei anderen Leptonen, wie etwa beim Elektron, nicht findet. Sie führt ziemlich direkt zu den Gluonen und den Anziehungskräften, die zwischen den Quarks wirken: Gluonen sind der Klebstoff, der Nukleonen zusammenhält.
 
 
Im Vergleich zu anderen Bosonen besitzen die Gluonen eine zusätzliche Eigenschaft: "Farbe" (auch "Farbladung") genannt:
 
So kann sich z.B. ein "rotes" Quark durch Abstrahlen eines Gluons in ein "blaues" verwandeln. Dies Gluon trägt dann positive "rote" Farbladung und negative "blaue". Analog ist das mit den anderen "Farben".
 
Es sind hierbei alle denkbaren Kombinationen unterschiedlicher Farbladung erlaubt (nur Gluonen, die jede der "Farben" in sich selbst überführen würden, kennt die Natur nicht).
 
Und so kann man sich durch einfaches Abzählen vergewissern: Es gibt genau 8 unterschiedliche Gluonen.
 
 
Bei nicht allzu hoher Temperatur sind Quarks stets eingesperrt in Hadronen, doch stets nur in Gruppen, bei denen die Summe all ihrer Farbladung sich neutralisiert zu "weiß" = "rot" + "grün" + "blau" in Nukleonen bzw. zu Null in Mesonen, denn jedes Meson enthält ein Quark mit positiver Farbladung und ein Antiquark mit der entsprechenden negativen Farbladung (also z.B. "rot" + "antirot").
 
 
Dieses "Rechnen" mit den Farbladungen nennt man Quantenchromodynamik (QCD).
Mit echten Farben allerdings, d.h. mit elektromagnetischer Strahlung, hat sie rein gar nichts zu tun.
 
Das sogenannte Confinement — die Tatsache, dass man in der Natur keine freien Quarks oder Gluonen beobachtet, sondern ausschließlich farbneutrale Objekte — kann die QCD bisher nicht erklären.
 
 
Quelle: Dieter Lüst: Quantenfische, DTV 2014, S. 92-105

 


aus  Notizen  zu:

Wie moderne Physik uns die Struktur aller Materie beschreibt


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