15. Quarks

15. Elementarteilchen; Quarks und Co.
15.1. Streuversuche (DESY oder CERN)
Ab 1960 untersuchte man mit den besten Mikroskopen, nämlich den Teilchenbeschleunigern CERN
und DESY, das Innere von Kernbausteinen. Mit sehr schnellen Elektronen ( > 1 GeV), deren
Materiewellenlänge im Bereich des Protonendurchmessers liegt, wurde auf Protonen geschossen.
Das Ergebnis glich dem von Rutherford:
Entweder schlugen die Elektronen glatt hindurch; oder aber sie wurden im Innern erheblich
abgelenkt.
Quarks
Elektronen
+
+
Proton
Die Streuversuche deuteten auf 3 Ladungszentren innerhalb des Protons hin. Murray Gell-Mann gab
den drei Ladungszentren die Phantasienamen Quarks.
In der Folgezeit gelang es Wissenschaftlern weiter Quarks und eine Vielzahl von neuen Teilchen zu
erzeugen und zu erforschen. Die Vermutung lag nahe, dass nicht alle wirklich elementar sein
konnten. Um Ordnung in diesem Teilchenzoo von über 400 Teilchen zu schafffen entwickelten
Physiker das Standardmodell der Elementarteilchenphysik. Es ist eine Theorie, die alle bisher
bekannten Elementarteilchen und deren gegenseitige Wechselwirkung beschreibt.
15.2. Wechselwirkungen
Eine Wechselwirkung zwischen zwei Teilchen kann durch den
Austausch von anderen Teilchen beschrieben werden. Dieser
Austausch von Teilchen kann mit dem Wirken einer Kraft gleichgesetzt
werden.
Es gibt vier fundamentale Kräfte:
Die starke Wechselwirkung, die zwischen den Quarks wirkt;
Die Austauschteilchen sind hier die sogenannten Gluonen
Die Reichweite der starken Kraft ist auf die Größe des Atomkerns
beschränkt; 100-mal stärker als die Coul.-Kraft
Die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen geladenen
Teilchen;
Die Austauschteilchen sind hier die Photonen;
Da die Photonen masselos sind ist die Reichweite der elektrischen Kraft sehr groß;
Die schwache Wechselwirkung wirkt sowohl auf alle Elementarteilchen und ermöglicht den β –
Zerfall;
Die Austauschteilchen sind hier die sogenannten Z-Bosonen und W-Bosonen;
Die Reichweite der schwachen Kraft ist extrem kurz (10-17m) ; 1000-mal schwächer als Coul.-Kraft
Die Gravitationskraft
15.3. Quarks
Man fand insgesamt sechs verschiedene Quarks, die über Gluonen (engl glue: kleben), das sind
ladungslose Austauschteilchen der starken Wechselwirkung, miteinander verbunden sind.
Das up, charm und top Quark tragen die Ladung + 2/3 e.
Das down, strange und bottom Quark die Ladung - 1/3 e .
Beispiele:
Das Proton setzt sich aus 2 u-Quarks und einem dQuark zusammen.
Das Neutron setzt sich aus 2 d-Quarks und einem u-Quark zusammen.
Zu jedem Quark gibt es auch noch das Antiquark.
Quarks treten nicht einzeln auf, sondern
immer in Verbindung mit anderen Quarks
oder Antiquarks. Diese gebundenen
Zustände sind dann die beobachtbaren
schweren Teilchen, die Hadronen. Diese
wiederum kann man in mittelschwere
Mesonen und schwere Baryonen
unterteilen. Mesonen bestehen aus 2
Quarks Baryonen aus 3.
Die sechs Quarks des Standardmodells der Teilchenphysik gibt es in drei Farben , die Anti-Quarks in weiteren drei
Farben . Sie tragen allerdings keine optischen Farben wie wir sie kennen, sondern eine sogenannte Farbladung. Die
Farbladung steht für eine Eigenschaft der Quarks, ähnlich der elektrischen Ladung.
15.4. Leptonen
Zu den 6 Quarks, die die schweren Teilchen aufbauen, existieren noch die leichten Leptonen, die
als elementar angesehen werden können. Damit besteht nach dem Standardmodell die Welt der
Elementarteilchen vorerst aus 6 Quarks und 6 Leptonen mit ihren Antiteilchen. Zu den Leptonen
gehören das Elektron, das Myon, das Tauon und die drei zugehörigen Neutrinos. Die ersten drei
tragen alle die negative Elementarladung e , die Neutrinos sind ungeladen und sehr klein, jedoch
nach neuesten Erkenntnissen nicht ganz masselos.
Beim β – Zerfall wandelt sich ein Neutron in ein Proton um,
genauer gesagt: Ein d-Quark im Neutron wandelt sich in ein
u-Quark um. Das kann weder die starke Wechselwirkung noch
die Coulomb-Wechselwirkung erklären, sondern nur die
schwache WW. Zunächst wandelt sich ein d-Quark unter Abgabe
eines W-Bosons(Austauschteilchen für die schwache Kraft) in
ein u-Quark um. Das W-Boson zerfällt anschließend in ein
Elektron und ein Antineutrino.
Der β – Zerfall im Feynman Diagramm ist rechts abgebildet.
15.5. Eine Übersicht über Wechselwirkungen und Elementarteilchen: