Die
Quarks im Standard-Modell -
Die "Geburt" der
Quarks
Quarks als elementare Bausteine der Materie sind für uns heute eine Selbstverständlichkeit.
Der Weg zum
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Quark- und Standard-Modell hat - in seiner entscheidenden Phase
- allerdings Jahrzehnte gedauert.
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Vor allem in den Jahren von etwa 1930 bis 1960 wurden in der Höhenstrahlung und ab 1952 auch verstärkt bei Streuexperimenten in Teilchenbeschleunigern eine Vielzahl neuer Teilchen entdeckt. Sie wurden je nach Masse in die Gruppe der
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Mesonen
oder die der
Baryonen eingeordnet.
Mesonen und Baryonen bilden zusammen die Gruppe der
Hadronen.
Die Vielfalt der Hadronen (Hunderte!) wird oft als
Teilchenzoo bezeichnet.
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Ordnung in dieses scheinbare Durcheinander brachte 1961 der Physiker
Murray Gell-Mann
(Bild rechts oben) mit dem sogenannten "
Achtfachen Weg
".
Im Modell des Achtfachen Wegs werden Teilchen mit gleichem Gesamtspin J in
eine Art Koordinatensystem
(siehe
rechte Abbildung) eingetragen, auf dessen Achsen bestimmte Quantenzahlen
(elektr. Ladung Q,
Strangeness S,
Isospin I, ...) angetragen
sind. Dort ordneten sich die Teilchen zu
regelmäßigen geometrischen Figuren an (z.B. Sechsecke; Abb. rechts). |
Die sich daraus ergebenden
Gruppen werden allgemein als
Multipletts
,
speziell mit 8 Baryonen wie rechts dargestellt, als
Baryonen-Oktett
bezeichnet (der Name "Achtfacher Weg" wurde in Anlehnung an den
eightfold path
von Buddha gewählt).
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Ähnlich, wie sich die Atome im Periodensystem aufgrund unterschiedlicher Protonenzahlen
des Kerns ordnen lassen, suchte man für die
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Hadronen
aufgrund der Einordnung in Multipletts nach einer Substruktur und den entsprechenden Teilchen, aus denen sie sich zusammensetzen ließen.
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Die Lösung wurde wieder von M. Gell-Mann (und von G. Zweig) gefunden.
Sie schlugen
drei elementare
Teilchen und ihre
drei Antiteilchen vor, die sie Quarks und Antiquarks nannten. Alle 1964 bekannten Hadronen
ließen sich aus diesen sechs Bausteinen zusammensetzen.
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Der
Name
Quark
ist dem Buch
Finnegans Wake von James Joyce entnommen. Mit Quark wird dort ein "junger Kerl", ein "Grünschnabel" bezeichnet.
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Zitat aus
Finnegans Wake
:
"
Three quarks for muster Mark, sure he hasn`t got much of a bark, and sure any he has it`s all beside mark " |
Quarks und Antiquarks treten nie alleine, sondern
immer zu zweit oder zu dritt als zwei verschiedene Arten gebundener Quark-Systeme auf. Die
Mesonen sind die gebundenen Systeme aus einem Quark und einem Antiquark |
(z.B. das Pion als u
d
).
Baryonen sind gebundene Systeme aus drei Quarks (z.B. das Proton als uud) und Antibaryonen bestehen aus drei Antiquarks. |
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Heute wissen wir, dass es sechs Quarks und sechs Antiquarks gibt. Im Quarkmodell erkennt man deutlich, dass das oben abgebildete Baryonen-Oktett eine fundamentale
Struktur besitzt.
Die beiden Baryonen
in der Mitte des Oktetts (
S
0
und
L
)
haben zwar
dieselbe Quarkzusammensetzung
(
uds
; siehe rechte Abb.),
sie unterscheiden sich aber durch die Zugehörigkeit zu verschiede- nen
Isospinmultipletts.
L
hat
I = 0 (es bildet ein Isospin-Singulett) und
S
0
hat Isospin I = 0 (es gehört zu einem Isospin-Triplett).
(siehe dazu auch
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