Quark (Physik)

Grundidee und Einordnung

Quarks sind Elementarteilchen und fundamentale Bestandteile der Materie. Sie verbinden sich zu zusammengesetzten Teilchen, den Hadronen. Zu diesen gehören Protonen und Neutronen, aus denen Atomkerne aufgebaut sind. Wegen des Confinements, also der dauerhaften Einschließung durch die starke Wechselwirkung, werden Quarks nicht isoliert beobachtet, sondern nur in Hadronen oder unter extremen Bedingungen in Quark-Gluon-Plasmen.

Im Standardmodell gehören Quarks neben den Leptonen zu den Materieteilchen. Beide Gruppen bestehen aus Fermionen mit Spin ½ und sind in drei Generationen mit jeweils zwei Quarks beziehungsweise zwei Leptonen gegliedert. Als Fermionen unterliegen sie dem Pauli-Ausschlussprinzip: Zwei identische Fermionen können nicht gleichzeitig denselben Quantenzustand einnehmen. Gewöhnliche Materie enthält vor allem Up- und Down-Quarks der ersten Generation sowie Elektronen.

Quarks sind die einzigen bekannten Elementarteilchen, die an allen vier fundamentalen Wechselwirkungen beteiligt sind: an der starken und schwachen Wechselwirkung, am Elektromagnetismus und an der Gravitation. Außerdem tragen sie als einzige Elementarteilchen elektrische Ladungen, die keine ganzzahligen Vielfachen der Elementarladung e sind.

Arten und grundlegende Eigenschaften

Die sechs Quarkarten heißen Flavours: Up (u), Down (d), Strange (s), Charm (c), Bottom (b) und Top (t). Sie bilden drei Generationen: u und d, c und s sowie t und b. Flavour-Quantenzahlen wie Isospin, Strangeness, Charm, Bottomness und Topness beschreiben diese Arten. Alle Suchen nach einer vierten Generation elementarer Fermionen blieben erfolglos; starke indirekte Hinweise sprechen für höchstens drei Generationen.

Die Stromquarkmassen betragen laut Tabelle: u 2,16 ± 0,07 MeV, d 4,70 ± 0,07 MeV, s 93,5 ± 0,8 MeV, c 1273,0 ± 4,6 MeV, b 4183 ± 7 MeV und t 172570 ± 290 MeV. Up, Down und Strange werden als leichte Quarks zusammengefasst. Das Top-Quark ist mit rund 173000 MeV/c² mit Abstand am schwersten; zum Vergleich hat das Elektron etwa 0,5 MeV/c².

Up-, Charm- und Top-Quarks tragen die elektrische Ladung +2/3 e, Down-, Strange- und Bottom-Quarks −1/3 e. In Hadronen addieren sich diese Bruchteile stets zu einer ganzzahligen Gesamtladung. Ein Proton besteht aus zwei Up- und einem Down-Quark und besitzt +1 e; ein Neutron besteht aus einem Up- und zwei Down-Quarks und besitzt 0 e.

Jedes Quark besitzt Spin ½ ℏ und die Baryonenzahl +1/3. Antiquarks haben dieselbe Masse, mittlere Lebensdauer und denselben Spin wie die entsprechenden Quarks, aber entgegengesetzte elektrische und andere Ladungen sowie die Baryonenzahl −1/3. Konventionsgemäß haben Quarks positive und Antiquarks negative intrinsische Parität.

In der Quantenchromodynamik gelten Quarks als punktförmig. Experimente fanden keine räumliche Ausdehnung und setzen eine Obergrenze von 10^−19 m, entsprechend 10^−4 der Größe eines Protons. Vermutete noch kleinere Bestandteile, sogenannte Präonen, sind reine Spekulation ohne experimentelle Hinweise.

Farbladung und Aufbau der Hadronen

Quarks tragen eine Farbladung, die willkürlich Rot, Grün oder Blau genannt wird; Antiquarks tragen die zugehörigen Antifarben. Diese Bezeichnungen meinen keine sichtbaren Farben. Farbladung ist die Quelle der starken Wechselwirkung, deren Theorie Quantenchromodynamik (QCD) heißt. Eine Farbe und ihre Antifarbe sowie Kombinationen aller drei Farben oder aller drei Antifarben ergeben einen farbneutralen, als „weiß“ bezeichneten Zustand.

Nur solche farbneutralen Zustände können isoliert existieren. Mesonen bestehen im gewöhnlichen Quarkmodell aus einem Quark und einem Antiquark und haben ganzzahligen Spin. Baryonen bestehen aus drei Quarks und haben halbzahligen Spin; Antibaryonen bestehen aus drei Antiquarks. Daneben wurden im frühen 21. Jahrhundert exotische, ebenfalls farbneutrale Hadronen entdeckt: Tetraquarks mit vier und Pentaquarks mit fünf Bestandteilen. Eine dreistellige Anzahl verschiedener Hadronen ist bekannt. Besonders wichtig sind Proton und Neutron.

Die Baryonenzahl beträgt für Baryonen +1 und für Antibaryonen −1. Sie bleibt nach bisheriger Beobachtung erhalten: Baryonen werden ineinander umgewandelt oder entstehen und annihilieren paarweise mit Antibaryonen. Erweiterungen des Standardmodells diskutieren eine Verletzung dieser Erhaltung, doch dafür gibt es bislang keine experimentelle Grundlage.

Starke Bindung und innere Struktur

Die starke Wechselwirkung wird durch Gluonen vermittelt. Diese masselosen Vektor-Eichbosonen koppeln an die Farbladung und werden zwischen Quarks fortwährend virtuell ausgetauscht. Da Gluonen selbst Farbladung tragen, können sie weitere Gluonen emittieren und absorbieren.

Dadurch verhält sich die starke Kraft anders als die elektromagnetische: Mit zunehmendem Abstand wächst sie und nähert sich einer Konstanten. Zum vollständigen Herauslösen eines einzelnen Quarks wäre unendlich viel Energie nötig. Dieses Confinement erklärt, warum keine freien Quarks auftreten. Bei sehr kleinen Abständen wird die Bindung dagegen schwächer; diese Eigenschaft heißt asymptotische Freiheit.

Wird versucht, Quarks bei einer hochenergetischen Kollision zu trennen, steigt die Feldenergie, bis neue Quark-Antiquark-Paare entstehen. Sie verbinden sich mit den auseinanderfliegenden Quarks zu neuen Hadronen. Dieser Vorgang heißt Hadronisierung.

Die zwei Quarks eines Mesons beziehungsweise drei Quarks eines Baryons, welche dessen Quantenzahlen bestimmen, heißen Valenzquarks. Im Gluonenfeld entstehen und verschwinden zusätzlich virtuelle Quark-Antiquark-Paare, die Seequarks genannt werden. Gluonen und Seequarks liefern einen großen Teil der Masse leichter Hadronen: Ein Proton hat etwa 938 MeV/c², während die drei Valenzquarkmassen zusammen nur etwa 9 MeV/c² beitragen.

In gebundenen Systemen verhalten sich leichte Valenzquarks daher wie schwerere effektive Teilchen, die Konstituentenquarks heißen; u- und d-Konstituentenquarks liegen in der Größenordnung von 350 MeV/c². Bei hohen Energien und Impulsüberträgen erscheinen die nahezu freien „nackten“ Quarks als Stromquarks. Für c und b ist der Unterschied zwischen beiden Massenbegriffen kleiner; Top-Quarks bilden vermutlich keine gebundenen Zustände.

Unter extrem hohen Temperaturen könnte das Confinement effektiv verschwinden. Quarks und Gluonen würden sich dann als thermalisierte, frei bewegliche Anregungen in einem Quark-Gluon-Plasma ausbreiten. Bei hoher Baryonendichte und niedrigerer Temperatur wird eine farbsupraleitende Quarkmaterie mit kondensierten Quark-Cooper-Paaren erwartet; die Einzelheiten solcher Phasen sind Gegenstand laufender Forschung.

Flavourwechsel und schwere Quarks

Nur die schwache Wechselwirkung kann ein Quark in einen anderen Flavour umwandeln. Dabei muss sich die elektrische Ladung ändern; beschrieben wird dies durch den Austausch eines virtuellen W-Bosons. Ein Flavourwechsel zwischen Quarks gleicher Ladung ist in führender Ordnung ausgeschlossen. Quarks wandeln sich bevorzugt in ein Quark derselben Generation um. Die relativen Übergangstendenzen stehen in der 3×3-Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix, kurz CKM-Matrix.

Ein Beispiel ist Λ⁰ → p + π⁻. Die Zusammensetzungen sind Λ⁰ = dus, p = duu und π⁻ = d̄u. Dabei wird ein s-Quark zu einem u-Quark; über ein virtuelles W⁻-Boson entsteht zusätzlich ein d-Antiquark-u-Paar. Weil dies schwach geschieht, lebt das Λ⁰ etwa 2,6·10^−10 s. Das ähnlich schwere Δ⁰ mit udd zerfällt stark ebenfalls in Proton und Pion und lebt nur etwa 3·10^−23 s.

Schwere Quarks entstehen in hochenergetischen Kollisionen, etwa durch kosmische Strahlung oder in Teilchenbeschleunigern, und zerfallen schnell. Das Top-Quark kann wegen seiner sehr großen Masse in ein reelles W-Boson und ein anderes Quark zerfallen, zu 96 ± 3 % in ein Bottom-Quark. Der Vorgang dauert ungefähr 10^−25 s, weshalb sich vermutlich keine Hadronen mit Top-Quarks bilden.