• Was sind Quarks und wie baut sich aus ihnen ein Atomkern auf?
  • Welche fundamentalen Grundkräfte gibt es und wie werden sie vermittelt?
  • Was sind Ladungen und welche Bedeutung haben sie ?
  • Was ist die Starke Wechselwirkung und wie wird sie zwischen Quarks vermittelt
  • Was sind Gluonen und wie viele gibt es davon?

Titelbild: CERN, Daniel Dominguez (Künstlerische Darstellung)

Die uns vertraute Materie ist zum Großteil aus Quarks aufgebaut, die aber nicht einzeln auftreten. Die Quarks werden durch eine Kraft zusammengehalten, die als Starke Wechselwirkung bezeichnet wird und von Gluonen vermittelt wird. Quarks und Gluonen werden durch die Quantenchromodynamik beschrieben, was meistens einfach als QCD abgekürzt wird. Die QCD betrifft alle Teilchen mit einer speziellen Ladung, der sogenannten Farbladung. Hier soll ein Einblick in den Aufbau der Materie und die besonderen Eigenschaften der Quarks und Gluonen gegeben werden.

Von der Atomtheorie zu Quarks

Die Idee, dass unsere Welt aus kleinen unteilbaren Teilchen besteht, ist sehr alt und lässt sich bis ins 6. Jahrhundert zurückverfolgen, als Leukipp und sein Schüler Demokrit die These vertraten, die Welt bestehe aus kleinen unteilbaren (altgriechisch: átomos) Teilchen. Diese These wurde im 19. Jahrhundert in der Chemie wieder aufgegriffen. Die Atomtheorie war damals aber durchaus noch umstritten. Anfang des 20. Jahrhunderts konnte aber auch sie experimentell bestätigt werden.

Das, was wir als Atome bezeichnen, stellte sich allerdings als nicht unteilbar heraus. Rutherford stellte mit Hilfe eines Streuexperimentes fest, dass Atome aus einer negativ geladenen Hülle und aus einem dichten positiven Kern bestehen, der sehr viel kleiner als das Atom ist. Die Elektronen, aus denen die Hülle besteht, sind nach heutigem Kenntnisstand wirklich unteilbar und gelten als elementare Teilchen. Gleiches kann vom Atomkern nicht behauptet werden. Man erkannte, dass der Atomkern aus weiteren Teilchen zusammengesetzt ist: die positiven Protonen und den neutralen Neutronen.

Im weiteren Verlauf wurden immer mehr neue Teilchen wie Pionen oder Kaonen entdeckt. Ursprünglich fand man sie bei der Analyse der kosmischer Strahlung. Die Anzahl der neu entdeckten Teilchen und die festgestellten Eigenschaften legten den Verdacht nahe, dass es sich hierbei zum Großteil um zusammengesetzte Teilchen - also keine Elementarteilchen - handeln könnte. Vielmehr würden sie aus eigentlichen Elementarteilchen bestehen, die zusammen Bindungszustände eingehen. Im Rahmen dieser Theorie sind auch Proton und Neutron zusammengesetzt. Diese Theorie wurde Anfang der 1960er vorgeschlagen. Die besagten Teilchen wurden Quarks genannt. Bald nach der theoretischen Vorhersage konnte auch die Existenz von Quarks experimentell nachgewiesen werden.

Arten von Quarks und zusammengesetzte Teilchen

Insgesamt gibt es 6 verschiedene Quarks und 6 dazugehörige Anti-Teilchen. In den Aufbau unserer Materie sind davon nur die zwei leichtesten Quarks involviert: Das up-Quark und das down-Quark. Das up-Quark hat eine Ladung von +2/3 Elementarladungen (eine negative Elementarladung entspricht der Ladung eines Elektrons) und das down-Quark eine Ladung von -1/3 Elementarladungen. Das Neutron besteht aus zwei down-Quarks und einem up-Quark, das Proton aus zwei up- und einem down-Quark. Die für uns gewohnte Materie besteht demnach aus nur 3 Elementarteilchen: den zwei angesprochenen Quarks und dem Elektron.

molecule LHCb discovery 00008 kleinQuarks bilden meistens Bindungszustände aus 3 Quarks, oder einem Quark-Antiquark-Paar. Protonen und Neutronen sind aus je 3 Quarks aufgebaut. Künstlerische Darstellung: CERN, Daniel Dominguez

Im Allgemeinen werden alle Teilchen, die sich aus Quarks zusammensetzen, Hadronen genannt. Diese werden unterteilt in die Baryonen, welche aus 3 Quarks oder 3 Anti-Quarks bestehen (zum Bespiel Protonen und Neutronen), und Mesonen, welche aus einem Quark und einem Anti-Quark bestehen. Zusätzlich zu den schon länger bekannten Baryonen und Mesonen gibt es auch noch Hadronen aus fünf Quarks, die Pentaquarks genannt werden und 2015 am CERN erstmals experimentell nachgewiesen wurden. Die Existenz von Tetraquarks, also einem Bindungszustand aus 4 Quarks und Antiquarks, ist noch umstritten. Zuletzt gibt es noch die Möglichkeit, dass sich Bindungszustände nur aus Gluonen zusammensetzen. Obwohl man davon ausgeht, dass diese Gluebälle genannten Bindungszustände existieren, sind sie experimentell noch nicht eindeutig nachgewiesen.

particle LHCb discovery 00008Im Jahr 2015 wurden am CERN das erste mal ein Teilchen aus 5 Quarks - ein Pentaquark - nachgewiesen. Theoretisch sind auch andere Teilchen aus einer anderen Zahl an Quarks möglich, solche konnten aber noch nicht gemessen werden.
Künstlerische Darstellung: CERN, Daniel Dominguez

Die Grundkräfte und Ladungen

Hadronen werden von einer Kraft zusammengehalten - der Starken Wechselwirkung. Nach dem aktuellen experimentellen Erkenntnisstand gibt es vier Grundkräfte, mit denen wir uns das Universum erklären: die Gravitation, die Elektromagnetische Wechselwirkung sowie die Starke und die Schwache Wechselwirkung. Die drei letztgenannten Grundkräfte können im Rahmen einer Quantentheorie beschrieben werden und bilden zusammen das Standardmodell der Elementarteilchenphysik. Diese Theorie ist experimentell sehr gut überprüft. Die Gravitation wird durch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie beschrieben. Seit vielen Jahren wird auch nach einer quantenphysikalische Beschreibung gesucht. Leider erweist sich das als äußerst schwierig und ist bis jetzt noch nicht geglückt.

Wann wirkt nun eine Kraft zwischen Elementarteilchen? Ein Teilchen kann nur dann wechselwirken, wenn es eine Ladung für die betreffende Wechselwirkung hat. Das heißt dass zum Beispiel nur elektrisch geladene Teilchen über die Elektromagnetische Wechselwirkung interagieren können. Ähnlich wie die elektrische Ladungen für die Elektromagnetische Wechselwirkung gibt es eine schwache Ladung der schwachen Wechselwirkung und eine starke Ladung der Starken Wechselwirkung. Alle Quarks sind sowohl elektromagnetisch, stark und schwach geladen, das heißt sie können über alle Grundkräften des Standardmodells wechselwirken.

Ähnlich wie Impuls und Energie müssen in jeder Wechselwirkung die Summe aller Ladungen erhalten bleiben. Es kann aus dem Nichts keine elektrische, starke oder schwache Ladung erzeugt werden. Allerdings ist die gleichzeitige Erzeugung eines Teilchens und seines dazugehörigen Antiteilchens, bei dem alle Ladungen das unterschiedliche Vorzeichen tragen, erlaubt. Ein solcher Prozess wird als Paarerzeugung bezeichnet. Der umgekehrte Prozess ist genauso möglich. Ein Teilchen und das korrespondierende Antiteilchen können sich gegenseitig Auslöschen. Dies wird als Paarvernichtung bezeichnet.

Wechselwirkung durch Austauschteilchen 

Wie geht aber die Wechselwirkung zwischen zwei Materieteilchen wie den Quarks oder Elektronen vonstatten? Für alle der vier Grundkräfte erfolgt die Wechselwirkung durch den Austausch eines Wechselwirkungsteilchens, auch Austauschteilchen genannt. Jede Wechselwirkung hat ihre eigenen Austauschteilchen. So hat die Elektromagnetische Wechselwirkung genau ein Austauschteilchen nämlich das Photon. Die schwache Wechselwirkung wird durch die W+/- und Z0 Austauschteilchen vermittelt, und in der Starken Wechselwirkung erfolgt ein Austausch von 8 sogenannten Gluonen (vom Englischen glue - da sie bildlich gesprochen die Quarks "zusammenkleben"). Im Gegensatz zu den Materieteilchen müssen die Austauschteilchen nicht geladen sein. Während die Photonen und das Z0 Teilchen keine Ladungen mit sich tragen, sind die W+/- Teilchen elektrisch geladen und die Gluonen stark geladen.

StandardmodellAlle Elementarteilchen nach dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik. Links die Materieteilchen der Quarks und Leptonen. Rechts die Austauschteilchen der Grundkräfte, darunter auch die Gluonen. Rechts oben das Higgs-Teilchen. Bild: Alexander Gorfer (quant.uni-graz.at), (CC-BY-SA 4.0)

Gluonen und Farbladung    

Bei der starken Ladung handelt es sich aber nicht um eine einfache Zahl, die angibt wie stark oder schwach sich die betroffenen Teilchen anziehen. Vielmehr haben Quarks drei verschiedene Arten von Ladungen, die rot, blau und grün genannt werden und deshalb auch als Farbladungen bezeichnet werden. Das heißt aber nicht, dass die Quarks wirklich diese Farben haben. So wie es bei der elektrischen Wechselwirkung eine positive und negative Ladung gibt, gibt es in der Starken Ladung auch immer ein Gegenstück. Es gibt also eine anti-rote Ladung zur roten Ladung, eine anti-blaue Ladung zur blauen Ladung und eine anti-grüne Ladung zur grünen Ladung. In Diagrammen wird manchmal anti-rot als cyan, anti-grün als magenta und anti-blau als gelb dargestellt.

Die Namen der Ladungen sind an die additive Farbmischung angelehnt, da in der Starken Wechselwirkung eine rote Ladung plus eine grüne Ladung plus eine blaue Ladung ein neutral geladenes Teilchen (sprich weißes Teilchen) ergeben. Dasselbe gilt für die Kombination einer Farbladung und der dazugehörigen Anti-Farbladung. Im Allgemeinen sind alle freien Teilchen nicht stark geladen, sind also weiß bzw. farblos.

Im Gegensatz zu den Quarks tragen die Gluonen sowohl eine Farbladung als auch eine Antifarbladung. Diese Addieren sich und können auch im oben gezeigten Diagramm eingezeichnet werden. Was bedeutet jetzt zum Beispiel der Austausch eines grün-anti-blauen Gluons zwischen zwei Quarks? Da in jedem Prozess die Farbladung erhalten werden muss, können über die nicht-weißen Gluonen die Farbladung der involvierten Quarks verändert werden.

Ein grünes Quark muss seine grüne Farbladung abgeben und eine blaue Farbladung aufnehmen, um ein blaues Quark zu werden. Das Aufnehmen einer blauen Farbladung entspricht aber der Abgabe einer anti-blauen Farbladung. Das grüne Quark kann also unter der Abgabe eines grün-antiblauen Gluons zum blauen Quark werden. Dieses Quark kann nun von einem blauen Quark eingefangen werden, welches sich damit zu einem grünen Quark umwandelt.

GluonQuarkDurch Austausch eines Gluons können Quarks ihre Farbladung ändern. Das Diagramm ist von links nach rechts zu lesen: Ein grünes Quark gibt ein grün-anti-blaues Gluon ab und wird dadurch blau. Ein anderes Quark nimmt dieses Gluon danach auf und wechselt seine Farbladung von blau auf grün. Bild: Alexander Gorfer (quant.uni-graz.at), (CC-BY-SA 4.0)

Suche

Seite drucken

Diese Seite teilen

Nach oben