Quarks, Bausteine der Hadronen

Proton und Neutron gehören zur Klasse der Hadronen, d.h. der stark wechselwirkenden Teilchen. In Beschleunigerexperimenten der 50er und 60er Jahre wurden immer weitere Teilchen mit ähnlichen Eigenschaften entdeckt, die jedoch instabil sind und nach kurzer Zeit zerfallen. Da es an einem tieferen Verständnis mangelte, wurden diese Teilchen zuerst lediglich nach ihrer Masse in Mesonen ("mittlere") und Baryonen ("schwere") unterteilt. Genauso wie die Vielzahl von verschiedenen Atomen ein Hinweis darauf war, dass diese noch nicht die Grundbausteine der Materie sind, war es auch angesichts der Vielzahl von Hadronen naheliegend, die Existenz von wenigen Bausteinen zu vermuten, aus denen diese zusammengesetzt werden.

Der Amerikaner Gell-Mann postulierte 1964 die Quarks als Bestandteile der Hadronen. Zum damaligen Zeitpunkt brauchte man 3 Quarks (up, down und strange genannt), um die Struktur der bekannten Hadronen zu erklären. Heute geht man von 6 verschiedenen Quark Typen (sog. flavour) aus.

Meson: Ein Bindungszustand aus 2 Quarks

Baryon: Ein Bindungszustand aus 3 Quarks

In diesem Bild werden Mesonen aus 2 Quarks und Baryonen aus 3 Quarks zusammengesetzt. Das Proton besteht zum Beispiel aus 2 up Quarks und einem down Quark (kurz: uud), das Neutron hat den Quarkinhalt udd. Es sind also Baryonen. Die Abbildungen illustriern den Aufbau von Mesonen und Baryonen im Quarkmodell. Die Schlangenlinien zwischen den Quarks deuten die Kraftwirkung der starken Wechselwirkung an, die die Quarks im Hadron zusammenhält. Diese Kraftwirkung ist übrigens so stark, dass man Quarks nicht aus einem Hadron herauslösen kann.

Nach heutigem Verständnis sind Quarks elementar, d. h. strukturlos und punktförmig. Falls sie denoch eine Ausdehnung besitzten, muss diese kleiner als 10^-18m (einem Attometer) sein. Ihre Massen sind jedoch sehr unterschiedlich. Das leichteste Quark (up) hat nur eine Masse von weniger als 1% des Protons. Das top Quark hingegen besitzt die 174fache Protonmasse. Obwohl es nach unserem Verständniss also elementar ist, hat es die selbe Masse wie ein schweres Atom.

Die folgende Tabelle fasst die Quarkeigenschaften noch einmal zusammen. Angegeben ist die elektrische Ladung und die Masse in Einheiten von GeV. Zu jedem Quark gibt es zudem noch ein Antiquark, sodass man 12 verschiedene Quarks unterscheiden kann.

Wir erwähnten bereits, dass ein Proton im Quarkmodell aus 2 up Quarks und einem down Quark besteht. Zählt man deren Massen aus der Tabelle jedoch zusammen erkennt man, dass sie nur etwa 0.02GeV betragen. Das Proton hat jedoch eine Masse von ca. 1GeV. Die Erklärung dafür liefert die Relativitätstheorie, nach der zwischen Masse und Energie die berühmte Gleichung E=mc² besteht (mit c der Lichtgeschwindigkeit). Der überwiegende Teil der Protonmasse kommt nämlich nicht aus der Masse seiner Teile,sondern aus der Energie der Bindung zwischen ihnen.

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