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).
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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"
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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
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(z.B. das Pion als ud). 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 (S0
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 S0
hat Isospin I = 0 (es gehört zu einem Isospin-Triplett).
(siehe dazu auch )
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