Quarks. Eine Analyse ihrer Eigenschaften und Entdeckungsgeschichte

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung: Die scheinbar ewige Suche

2. Entdeckung der Quarks
2.1 Warum die Suche nach Quarks?
2.2 Technische Probleme und deren Lösung
2.3 Das Experiment

3. Das Quark und sein Leben – Eigenschaften der Quarks
3.1 Das Quarkflavour
3.2 Confinement
3.3 Die Generationen der Quarks

4. Ist das Quark das kleinste?

5. Literaturverzeichnis

1. Einleitung: Die scheinbar ewige Suche

Öffnet man ein Portal, so führt es nur zu zwei weiteren deren Schlüssel man finden muss. Diesen einerseits beklemmenden, andererseits wundervollen Grundsatz muss sich jeder Forscher, der auf der Suche nach Antworten den Kosmos durchstreift, unterwerfen. Auch bei der Suche nach den elementaren Bausteinen der Existenz stellte diese Regel Forscher und Gelehrte auf die Probe. Schon seit Tausenden von Jahren verspricht man sich von der Antwort auf die Frage nach den elementaren Teilchen unvorstellbare Macht, egal ob man nach der Kraft der Götter oder einer vereinheitlichten Theorie strebt. Jedoch seitdem diese Frage zum ersten Mal gestellt wurde, ist viel Zeit vergangen und wir sind uns immer noch nicht sicher, ob wir der Antwort nähergekommen sind, als manche Schamanen, die von Feuer, Erde, Wasser und Wind als grundlegende Bestandteile von allem, was existiert, sprechen. Natürlich haben wir seitdem zahlreiche Fortschritte gemacht. Es begann mit Demokrit, welcher schon zur Zeit des antiken Griechenlands von „Atomos“ sprach und damit das erste Mal unteilbare Teilchen postulierte, welche die Grundbausteine von allen Dingen sein sollten.¹ Es brauchte lange, bis diese Theorie anerkannt wurde, doch heute ist sie allgemein anerkannt und es ist sogar möglich, die Existenz von Atomen mit bloßem Auge zu bestätigen. Dabei macht man sich die Brownsche Bewegung zu nutze. Man gibt nur eine flache Schicht Wasser auf einen Objektträger und platziert ein winziges Molekül, „Kolloid“ genannt, auf der Oberfläche. Dann kann man durch ein Elektronenmikroskop eine Bewegung erkennen. Um zu verstehen wie diese Bewegung zustande kommt, muss man sich nur ein Konzert mit vielen Besuchern vorstellen. Die Besucher des Konzerts sind alle voll Euphorie und hüpfen mit den Armen gen Himmel rhythmisch zur Musik. Wirft man jetzt einen großen Ball in die Menge bewegt er sich durch das Geschubse unregelmäßig. Eben so wird das Kolloid durch die Atome im Wasser bewegt und die Bewegungen des Kolloids kann man mit dem Auge verfolgen². Natürlich gibt es noch viele andere, stichhaltigere Beweise für die Atom-Theorie, jedoch hört es bei den Atomen nicht auf.

Dank der Arbeiten von Rutherford und anderen stießen wir in noch kleinere Dimensionen vor und entdeckten die Nukleonen und Elektronen. Doch trotz dessen, dass wir uns nun bei einem geschätzten Radius von 1x10-[15]m befinden, geht es noch kleiner³. Schlussendlich gelangen wir nun zu den Quarks, welche so klein sind, dass man nicht einmal wirklich weiß wie klein, jedoch schätzt man ihren Radius auf maximal 1x10-[18]m⁴. Eine Zahl so klein, dass man sie sich ähnlich wie die Größe des Kosmos kaum vorzustellen vermag.

Sind Quarks nun die Letzten in einer langen Reihe von Kandidaten für die elementarsten Teilchen, oder geht es noch kleiner?

Genau das ist Teil der Forschung, die sich mit Quarks auseinandersetzt.

Jedoch wissen wir noch nicht genug über Quarks an sich und deren Verhalten untereinander, um die genauere Forschung über die inneren Vorgänge eines Baryons aufzugeben. Eventuell gibt es noch kleinere Teilchen, jedoch ist die Zeit zur Suche nach ihnen noch nicht gekommen, denn das Konzept der Quarks als strukturlose Teilchen funktioniert. Jedenfalls bis jetzt.

Quarks sind uns in vielerlei Hinsicht noch ein Rätsel, doch einige ihrer Mysterien konnten wir bereits lüften und bei all den anderen stehen wir kurz davor.

Beginnen wir am Anfang.

2. Entdeckung der Quarks

2.1 Warum die Suche nach Quarks?

Eine berechtigte Frage, immerhin funktionierte alles mit dem bisherigen Modell sehr gut. Die Theorie der Hadronen als kleinste Bausteine war elegant, was Physikern sehr wichtig ist, aber noch viel wichtiger, sie funktionierte in den meisten aller Fällen.

Jedoch gab es drei Anomalien, die die Physiker der damaligen Zeit stutzig werden ließen.⁵

Zum einen gab es eine exorbitant hohe Menge an „kleinsten“ Teilchen. „(…) mehr als 300 gleichwertige Objekte und Grundbausteine der Materie [gab es zur damaligen Zeit schon und es war in näherer Zukunft kein Ende in Sicht]“⁶. Es war nicht nur eine unelegante Lösung, sondern auch unerklärbar, weshalb es so viele Grundbausteine der Materie geben sollte. Doch dieser Umstand konnte trotz der geringen Wahrscheinlichkeit eine Laune der Natur sein, immerhin hat niemand eine Ahnung, wie wir uns den Aufbau des Kosmos vorstellen können. Denn es gibt auf solchen Größenskalen keine Anhaltspunkte mehr an denen man sich orientieren könnte und umso tiefer man vordringt, umso fantastischer wird es. Neben der großen Menge an Elementarbausteinen als offensichtlichstes Problem stieß man bei Experimenten an Teilchenbeschleunigern auf zwei weitere Probleme. Als man nämlich einzelne Nukleonen, also Neutronen oder Protonen, mit hochenergetischen Elektronen beschoss, wich der Wirkungsquerschnitt der Streuung der Elektronen von den prognostizierten Werten ab.⁷ Spricht man hier von dem Wirkungsquerschnitt eines Teilchens ist kurzgesagt die Trefferfläche des Teilchens gemeint. Genauer gesagt handelt es sich bei dem Wirkungsquerschnitt um die Wahrscheinlichkeit das zwischen dem einfallenden Teilchen und dem Target (hier das Nukleon als Target und Elektronen als einfallende Teilchen) eine Reaktion, also Streuung, Absorption, und so weiter, stattfindet.⁸ Der beobachtete Wirkungsquerschnitt glich dem einer Streuung an strukturierten Objekten. Das war jedoch nicht möglich, denn wenn ein Objekt strukturiert ist, bedeutet das, dass es aus mehreren Bauteilen aufgebaut ist.

Das kann man sich in etwa folgendermaßen vorstellen. Grob gesehen ist eine Backsteinmauer strukturiert, da sie ja aus mehreren Backsteinen aufgebaut ist. Eine Betonwand jedoch wurde aus einer Masse gegossen, ist so gesehen also strukturlos. Dieser Vergleich ist selbstverständlich nicht einwandfrei, da man auch eine Betonwand zertrümmern kann, er dient jedoch nur zur Veranschaulichung.

Der gemessene Wirkungsquerschnitt war der eines strukturierten Teilchens, jedoch ist eine Voraussetzung für den elementarsten aller Bausteine, dass er unteilbar ist. Ein strukturierter Körper ist jedoch teilbar und kann somit unmöglich der kleinste Baustein sein.

Außerdem wurden bei eben diesen Experimenten sogenannte Baryonenresonanzen nachgewiesen, welche den Verdacht auf Quarks als Baryonenbausteine noch einmal erhärteten.⁹ Spricht man von Resonanzen ist damit ein angeregter Energiezustand des beobachteten Teilchens gemeint.¹⁰ Baryonenresonanzen sind somit angeregte Energiezustände in zum Beispiel Protonen oder Neutronen. Das kann man sich dann in etwa so vorstellen:

Man stelle sich einen Topf voll Wasser vor. Wird dieser erhitzt, also angeregt, dann schwingen die Wassermoleküle in ihm mehr und mehr. Irgendwann sind die Wassermoleküle dann heiß genug, bewegen sich also so stark, dass sie die molekularen Bindungen überwinden und sich die Flüssigkeit in Wasserdampf verwandelt. Sieht man sich nun den Wasserdampf an, hat man immer noch dieselben Wassermoleküle vor sich, auch wenn sie sich nicht mehr in derselben Form, oder demselben Aggregatszustand befinden, wie am Anfang des Gedankenexperiments. Der Wasserdampf ist also ein angeregter Energiezustand des Wassers. Wie im eben genannten Beispiel kann man sich auch den angeregten Zustand eines Protons vorstellen. Jedoch ist hierbei das Proton nicht eines der Wassermoleküle, sondern die gesamte Flüssigkeit. Bei der Entdeckung von Baryonenresonanzen fand man also, wenn man den Vergleich beibehält, eine Menge an Gas anstatt einer Flüssigkeit vor. Zuvor war man der Meinung, dass es sowieso nur einen Zustand für Nukleonen geben kann, doch bei den Kollisionen im Experiment wurden eindeutig Resonanzen und somit innere Energiezustände der Protonen belegt. Das Problem dabei ist, dass ein strukturloses Gebilde keine angeregten Zustände haben kann.¹¹ Es selbst kann mit anderen seiner Größenordnung angeregt werden, jedoch kann man den Zustand eines strukturlosen Teilchens selbst nicht verändern. Das wiederspricht sich ja von selbst, wenn man die Struktur eines eigentlich Strukturlosen Objekts verändern will.

2.2 Technische Probleme und deren Lösung

Somit hatte man also drei triftige Gründe dafür, dass Protonen und andere Baryonen aus noch kleineren Teilchen aufgebaut sein müssen. Obwohl es zu dieser Zeit, also etwa in den 1960ern schon Experimente an Teilchenbeschleunigern gab, welche Baryonenresonanzen festgestellt hatten, konnte man die Quarks als Bausteine der Nukleonen nicht direkt feststellen.¹² Dafür waren die Energien, welche die damaligen Teilchenbeschleuniger aufbringen konnten einfach zu klein. Denn Elektronen müssen eine bestimmte Geschwindigkeit erreichen um die für den direkten Nachweis der Quarks erforderlichen Energien zu erreichen. Dazu waren selbst die fortschrittlichsten Teilchenbeschleuniger der damaligen Zeit noch nicht in der Lage.¹³

Doch woran liegt es, dass man solch hochenergetische Elektronen zum direkten Nachweis benötigt, obwohl man die Quarks schon indirekt festgestellt hatte? Das liegt vor allem an dem Welle-Teilchen-Dualismus. Der Welle-Teilchen-Dualismus sagt aus, dass sich Teilchen bei ihren Bewegungen sowohl wie eine Welle als auch ein Teilchen verhalten. Diese Theorie wurde mit dem berühmten Doppelspaltexperiment nachgewiesen.¹⁴ Wenn man jedoch an den Welle-Teilchen-Dualismus denkt, denkt man vor allem an Photonen, also das Licht. Doch der Physiker mit dem Namen de Broglie spann diese Idee weiter. Er untersuchte Einsteins Formel und das Äquivalenzprinzip und stieß dabei auf Probleme bei der Lokalisierung von Energie und Masse. So erweiterte er den Welle-Teilchen-Dualismus auf alle existierenden Teilchen. Diese Hypothese nachzuweisen stellte sich jedoch als äußerst schwierig heraus, da die Wellenlänge eines Teilchens umso massereicher es ist, umso kleiner ist. Die Wellenlängen des Elektrons lagen jedoch im Bereich des möglich messbaren und so wurde de Broglies Theorie bestätigt. Um sogenannte Materiewellenlängen zu errechnen stellte er eine Formel auf:

Wobei für die Wellenlänge des Teilchens steht, die Planck-Konstante verkörpert und der Impuls ist.

Mit dieser Formel wird also eine Verknüpfung der Wellenlänge mit dem Impuls p hergestellt.¹⁵

Dies ist auch die Erklärung für die Notwendigkeit solch hoher Energien bei den Experimenten. Wie auch bei der Objekterkennung mit Licht, braucht man eine bestimmte Wellenlänge der Elektronen, um bestimmte Objekte wahrnehmen zu können. Wir benutzen zum Beispiel Röntgenstrahlung um das Innere unserer Körper untersuchen zu können, also eine hochenergetische Strahlung. Im Fall der Quarks braucht man nun eben hochenergetische Teilchenstrahlung, um sie „sichtbar“ zu machen. Elektronen waren als einfallende Teilchen von Anfang an sicher, denn Elektronen sind die unkompliziertesten Teilchen mit Ruhemasse. Bosonen, zum Beispiel Photonen, haben meist keine Masse. Diejenigen Bosonen welche Masse besitzen sind jedoch nicht für Experimente geeignet, da sie beispielsweise zu instabil sind. Somit waren diese als Teilchen für die Einfallende Strahlung weggefallen. Hadronen waren viel zu komplex, denn man versuchte ja die Struktur der Hadronen zu erforschen und man kann ja schließlich nicht Unbekanntes mit Unbekanntem beschießen und sich dann einbilden, man könne die Ergebnisse auswerten. Dann blieben also nur noch die Elektronen. Diese waren prädestiniert für diese Aufgabe. Denn mit einer Punktladung und Punktmasse und einer Größe im Bereich von 1x10-[18]m waren sie die idealen Kandidaten.¹⁶

Nun hatte man also alle Teilchen, die am Experiment teilnehmen würden und konnte mit der de Broglie-Wellenlängen Formel auf die nötigen Energien der Elektronen schließen. Denn die de Broglie Wellenlänge der Elektronen musste mit der geschätzten Größe der Quarks übereinstimmen. Die Größe der Quarks und damit die Wellenlänge und die Planck-Konstante waren gegeben und somit konnte man die Formel in:

umformen und somit auf den nötigen Impuls auflösen. Da hierbei Energien im GeV-Bereich prognostiziert wurden, mussten jedoch erstmal ein Teilchenbeschleuniger gebaut werden, der dies leisten konnte, um schlüssige Ergebnisse erzielen zu können.

Dieser Traum ging in den 1970ern mit dem Bau des Elektronenlinearbeschleunigers in Stanford in Erfüllung.¹⁷

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¹ https://www.frustfrei-lernen.de/chemie/demokrit-atommodell.html

² Feynman 2017, S. 65-66

³ Meyer 2007, S. 62

⁴ Meyer 2007, S. 62

⁵ Hänsel 1995, S. 559

⁶ Hänsel 1995, S. 559

⁷ Hänsel 1995, S. 559

⁸ https://physik.cosmos-indirekt.de/Physik-Schule/Wirkungsquerschnitt

⁹ Hänsel 1995, S. 559

¹⁰ http://erlangen.physicsmasterclasses.org/msm_wirkq/msm_wirkq_zus3.html

¹¹ Hänsel 1995, S. 559

¹² Musiol 1988, S 36

¹³ Hänsel 1995, S. 559

¹⁴ http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/welle-teilchen/welle-teilchen.html

¹⁵ Grehn 2010, S. 16

¹⁶ Hänsel 1995, S. 559

¹⁷ Hänsel 1995, S. 559