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Lexikon der Astronomie: Quarks

Quarkfamilie Quarks sind neben den Leptonen dem Standardmodell der Teilchenphysik folgend die fundamentalen Bausteine der Materie. Die Physiker sind derzeit überzeugt, dass sie nicht mehr teilbar sind und keine weitere Substruktur aufweisen. Im Prinzip ist das ein moderner Atomismus im Sinne Demokrits. Diese Eigenschaft umreißt man mit dem Begriff 'Punktförmigkeit' und muss dabei wissen, dass idealisierte Punkte an sich nicht mit der Quantentheorie verträglich sind. Denn das Heisenbergsche Unschärfeprinzip verbietet die Existenz idealisierter Punkte.

Ursprung des Wortes 'Quark'

Die Etymologie des Namens Quark geht auf den amerikanischen Elementarteilchenphysiker Murray Gell-Mann (*1929) zurück: er entlehnte dem Roman Finnegans Wake (1939) des irischen Dichters James Joyce diesen Begriff. Dort heißt es gleich zu Anfang eines dreizehnzeiligen Gedichts: 'Three quarks for Muster Mark! [...]'. Der Begriff quark war hier ein onomatopoetisches Kunstwort, dass Joyce in Anlehnung an die Laute einer Krähe wählte und das sich auf andere Worte im Vers des Gedichts reimte.

sechs Quarks

Die drei Quarks passten hervorragend zur damals bekannten Zahl subatomarer Partikel, die die Nukleonen konstituieren. Erst später stellte sich heraus, dass es insgesamt sechs Quarks gibt, die alle experimentell nachgewiesen werden konnten (zuletzt, 1995, das schwerste Quark, das top-Quark).

Eigenschaften der Quarks

Vom physikalischen Standpunkt handelt es sich bei den Quarks um punktförmige Fermionen mit Spin 1/2, die Träger drittelzahliger elektrischer Elementarladungen (+2/3 oder -1/3) und der so genannten Farbladung sind. Die 'Farbe', zu verstehen als hypothetisches Merkmal (nicht als tatsächliche Färbung!), ist ein weiterer Freiheitsgrad und begründete gerade den Namen der Quantenchromodynamik (QCD) (grch. chroma: Farbe). Die Farbladung ist gewissermaßen ein Analogon zur elektrischen Ladung und ein weiteres Unterscheidungsmerkmal für Teilchen.
Man kennt sechs Quarks, die sich in der Eigenschaft Flavor (dt. 'Geschmack') unterscheiden. Die Terminologie ist u, d, s, c, b, t, als Abkürzungen für up, down, strange, charm, bottom und top. Diese Bezeichnungen sind natürlich willkürlich und im Prinzip irrelevant. Sie dienen nur der Unterscheidung. Es gibt zu diesen sechs Quarks die jeweiligen Antiquarks, also weitere sechs Teilchen.

Massen und Ladungen der Quarks

  • u: 5 MeV, +2/3 (in Einheiten der Elementarladung e)
  • d: 10 MeV, -1/3
  • s: 200 MeV, -1/3
  • c: 1.5 GeV, +2/3
  • b: 4.7 GeV, -1/3
  • t: 180 GeV, +2/3

(Quelle: CERN-Homepage, Stand August 2002)

Das top-Quark wurde aufgrund seiner hohen Masse erst 1995 am FERMILAB experimentell nachgewiesen. Ebenfalls am FERMILAB wurde bereits 1977 das bottom-Quark entdeckt.

Willkommen im Hadronenzoo

Alle Hadronen bestehen aus Quarks, deren Unterklassen, die Baryonen aus drei und die Mesonen aus zwei Quarks. Neuerdings sind neue Teilchen dazu gekommen, die aus mehreren Quarks bestehen. So kennt man mittlerweile das Tetraquark, das aus vier Quarks besteht und das Pentaquark, das sich sogar aus fünf Quarks zusammensetzt.

freie Quarks

Unter normalen, d.h. irdischen, Bedingungen ist die chirale Symmetrie gebrochen und die Quarks sind eingeschlossen (confinement) und nur asymptotisch frei. Bei hohen Temperaturen ab etwa 170 MeV oder bei hohen Drücken wird jedoch die chirale Symmetrie restauriert: die Quarks (und Gluonen) sind quasi-frei (deconfinement), und es entsteht eine neue Materiephase, die Quark-Gluonen-Plasma (QGP) heißt. Von diesem Zustand stark wechselwirkender Materie glaubt man, dass er im Innern von Neutronensternen, Magnetaren und Quarksternen realisiert ist. Auch Sekundenbruchteile nach der Entstehung unseres Universums im Urknall war das Milieu in einem geeigneten Zustand in Dichte und Temperatur, um das QGP hervorzubringen. 2004 wurde experimentell das QGP am Teilchenbeschleuniger RHIC nachgewiesen.

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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