Techniklexikon

Quarks

Teilchenphysik, Fermionen, die zusammen mit den Leptonen die grundlegenden Bestandteile der Materie darstellen (der Name ist dem Roman »Finnegans Wake« von James Joyce entlehnt). Sie kommen, soweit bekannt, in 6 Flavors u (up), d (down), c (charm), s (strange), t (top), b (bottom) vor, die sich zu drei Generationen

anordnen. Quarks besitzen einen Farbfreiheitsgrad, der den Wert r (rot), g (grün) oder b (blau) annehmen kann. Mit dieser Farbladung koppeln sie an die Gluonen. Sie tragen drittelzahlige elektrische Ladung Q und Baryonenzahl B
(, ). Zu jedem Quark existiert ein Antiteilchen mit entgegengesetzten Quantenzahlen.

Die Quarks galten beim Vorschlag des Quarkmodells durch Zweig und Gell-Mann (1964) zunächst als nützliches mathematisches Konstrukt, um die Hadronen systematisch zu ordnen und deren Vielzahl zu erklären. In Experimenten tiefinelastischer Streuung wurde jedoch ihre physikalische Existenz nachgewiesen. Freie Quarks können nicht beobachtet werden, was auf das Confinement zurückzuführen ist. Demgegenüber verhalten sich Quarks in Kollisionen mit grossem Impulsübertrag nahezu wie freie Teilchen. Dies wirds als asymptotische Freiheit bezeichnet.

Die Quarks unterliegen allen fundamentalen (starke, schwache und elektromagnetische) Wechselwirkungen:

1. Die starke Wechselwirkung wird durch die QCD beschrieben, wonach die Quarks an Gluonen (), welche gleichzeitig Farbe und Antifarbe tragen, koppeln. Die starke Wechselwirkung führt zu gebundenen Zuständen qqq (Baryonen) aus drei Quarks und  (Mesonen) aus Quark und Antiquark. Der Quarkgehalt von Proton bzw. Neutron ist uud bzw. udd. Die Bausteine der Hadronen werden als Konstituentenquarks (constituent quarks) bezeichnet. Sie sind im Gegensatz zu den blossen Quarks (Stromquarks, current quarks) von einer Wolke aus Gluonen und virtuellen Quarks umgeben, wodurch sich ihre Masse vergrössert. Die Konstituentenquarkmassen für die leichten Quarks betragen » 200 MeV (u, d) und » 500 MeV (s), die Stromquarkmassen, welche in die QCD-Lagrange-Dichte eingehen, 5, 10 und 200 MeV. Die starke Kraft ist auch für die Bindung der Neutronen und Protonen zum Atomkern verantwortlich (residente starke Kraft).

2. Die schwache Wechselwirkung der Quarks wird durch die Kopplung an die W^±- und Z⁰-Bosonen hervorgerufen. Durch Aussenden eines virtuellen W⁺ können u-, c- und t-Quarks in d, s und b (in umgekehrter Richtung durch Aussenden eines W^-) übergehen. Dies geschieht vorrangig, aber nicht ausschliesslich innerhalb der Quark-Generationen (CKM-Matrix).

3. Die elektromagnetische Wechselwirkung wird durch Kopplung der Quarks an Photonen aufgrund ihrer elektrischen Ladung verursacht.

Der Nachweis des c-Quarks gelang 1975 am e⁺e^--Speicherring SPEAR in Stanford/USA, der des b- und t-Quarks 1977 bzw. 1995 in p⁺p^--Kollisionen am Fermilab.

Das Standardmodell der Elementarteilchen lässt einige die Quarks betreffende Fragen unbeantwortet. So legt es die Anzahl der Quarkflavors nicht fest. Allerdings ist das Standardmodell nur dann renormierbar, wenn die Anzahl der Generationen von Quarks und Leptonen gleich ist, da sich in diesem Falle die Anomalien des leptonischen und des Quarksektors aufheben. Desweiteren folgen die Quarkmassen und die Parameter der CKM-Matrix nicht aus der Theorie, sondern müssen dem Experiment entsprechend gewählt werden.

In der Natur werden nur Farb-SU(3)-Singuletts (farbneutrale Teilchen) beobachtet. Dies sollte mittels der QCD, die Bestandteil des Standardmodells ist, verstanden werden können. Der Beweis ist bisher aber nicht erbracht.