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Geschichte der Teilchenphysik - Teil 4: Der Murks mit den Quarks

v-Events from https://picryl.com/media/subatomic-particles-formation-four-pronged-star-pi-negative-p-yields-lambda-f6907a v-Events von https://picryl.com/media/subatomic-particles-formation-four-pronged-star-pi-negative-p-yields-lambda-f6907a. Spuren von geladenen Teilchen. Aus dem Nichts scheinen neue Teilchen zu entstehen, welche v-förmig auseinanderfliegen.

Im letzten Teil haben wir kurz das Pion erwähnt. Nach dessen Entdeckung wurden noch viele weitere Teilchen entdeckt. In den 1950er und 1960er Jahren sorgten die aufkommenden Teilchenbeschleuniger für einen wahren Teilchen-Zoo. Man wusste kaum wie man all dieser Teilchen Herr werden konnte. So viele Teilchen konnten unmöglich elementar sein. Wieso sollte die Natur so viele verschiedenartige Grundbausteine erfinden? Würde es der Einfachheit halber nicht mehr Sinn machen, nur wenige rudimentäre Bausteine zu haben und daraus alles Weitere zu kreieren? Von dieser Idee beflügelt stellen Murray Gell-Mann und George Zweig 1964 unabhängig voneinander eine Theorie auf, die all die bekannten Teilchen aus kleineren, noch unentdeckten Teilchen zusammenbaut. Zweig nennt diese kleinen Bausteine in einem langen und detailreichen Bericht «Aces», Gell-Man in einem knappen Aufsatz «Quarks». Heute nutzen wir den Begriff Quarks. Was dies über die Lesefreudigkeit von Physikern aussagen mag darf sich jeder selbst denken. Wie Gell-Mann auf den Begriff «Quark» kam ist etwas umstritten. Zum einen liest man, er wäre zu dieser Zeit auf einer Deutschland-Reise gewesen. Bei einem Spaziergang über den Markt hörte er «Quark», «Quark» - die Marktschreier priesen ihren Quark an. Zum anderen wird darauf verwiesen, dass er gerade Finnegan’s Wake von James Joyce gelesen hätte, wo der Satz «three quarks for Muster Mark!» vorkommt. An die Quarks, also seine neuen Teilchen, glaubte Gell-Mann jedoch nicht. Er schreibt dazu:

«A search for stable quarks of charge –1/3 or +2/3 and/or stable di-quarks of charge –2/3 or +1/3 or +4/3 at the highest energy accelerators would help to reassure us of the non-existence of real quarks.”1


Er dachte also die Nicht-Existenz würde sich bald beweisen lassen. Gell-Mann betrachtete die Quarks als netten mathematischen Trick um der Teilchenfülle Herr zu werden. Aber bereits 5 Jahre später wurde alle Hoffnung auf den Beweis der Nicht-Existenz von Quarks zunichte gemacht. 1969 konnte in einem Experiment gezeigt werden, dass die Atomkerne selbst aus kleinen harten Punkten bestehen: den Quarks! Es gab sie also doch. Schon ein halbes Jahrhundert vorher hat Rutherford ein ziemlich ähnliches Experiment durchgeführt. Mit ähnlichem Ergebnis – nur auf ein einer anderen Grössenskala.

Mit den Quarks hatte man nun also die gesuchten Bausteine, um dem Teilchen-Zoo wieder Ordnung zu geben. Man konnte nun gewissermassen alle anderen bereits bekannten Teilchen bauen. Auch neue Teilchen konnte man so postulieren. Teilchen, die sich aus Quarks zusammensetzen. Der Erfolg der Theorie war dann auch die Vorhersage neuer Teilchen, die auch tatsächlich gefunden wurden. Mathematisch gibt es 2 verschiedene stabile Lösungen: die Kombination von 3 Quarks und die Kombination von einem Quark und einem Anti-Quark. Ersteres führt zu Protonen und Neutronen und vielen weiteren sogenannten Baryonen. Zweiteres zum Pion und vielen weiteren sogenannten Mesonen. Auch die Kombination dieser beiden Lösungen wäre möglich. Das wäre dann exotische Materie. Ein aktives Forschungsfeld.

Mit den zwei Quarks die man zu Beginn postulierte kam man mit der Zeit nicht aus. In Experimenten fand man neue Teilchen und Prozesse, die nach weiteren Quarks verlangten. Besonders kreativ waren die damaligen Physiker bei der Namensgebung für die verschiedenen Quarks aber nicht gerade. Die beiden häufigsten Quarks heissen «up» und «down». Etwas später kamen «strange»-quarks dazu, weil sie Prozesse erklärten, die etwas komisch waren. Dann fand man das schwerere «charme»-quark und zu guter Letzt das noch schwerere «bottom» und das gigantische «top».

Noch ein paar Worte zu den strange quarks. Gegen Ende der 1940er Jahre fand man ein paar komische Teilchen. Komisch, weil sie immer paarweise entstehen aber instabil sind, also rasch wieder in anderes zerfallen. Beim Entstehen fliegen sie immer v-förmig auseinander. Die Produktion dieser Teilchen geschieht ziemlich schnell, aber es geht lange bis sie wieder zerfallen. Es laufen also unterschiedliche Prozesse ab. Nebst den up- und down-quarks führte man hierzu die strange-quarks ein, die halfen diese Prozesse zu erklären.

Auf die grundlegende Idee von Gell-Mann und Zweig, die dem Teilchen-Zoo Herr werden wollten, folgte eine fruchtbare Entwicklung an mathematischen Modellen und spannenden Experimenten. Die Zahl der Quarks selbst wuchs, so dass heute wiederum viele meinen, die Quarks können nicht die grundlegenden Bausteine sein. Theorien, was diese noch kleineren Bausteine sein könnten, gibt es unterdessen einige. Eine besonders spannende ist die String-Theorie, welche von strings in einem 10- oder 26-dimensionalen Raum ausgeht, welche verschiedene Schwingungszustände haben. Was für Teilchen wir dann sehen hängt davon ab, wie die Strings schwingen. Aber experimentelle Hinweise auf höhere Dimensionen oder die Existenz von Strings haben wir bisher noch keine. Doch die Zukunft bleibt spannend und hält noch viele Entdeckungen für uns bereit.


Die komischen Ladungen kommen nicht von ungefähr. Möchte man ein Proton bauen nimmt man 2 up-quarks und ein down quark, man hat dann eine Ladung von 2*2/3-1/3=+1, genau die positive Ladung des Protons. Die bruchstückhafte Ladung der Quarks liegt einfach daran, dass man an Vielfache der Elektronenladung dachte. Hätte man zuerst die Quarks entdeckt und erst später das Elektron, hätte halt das Elektron die Ladung von 3 down Quarks. Ein Einheitenwechsel bringt oft komische Zahlen mit sich, man denke nur an die Umrechnung von einem Inch in 2.54 Zentimeter.

Geschichte der Teilchenphysik - Teil 3: Myonen im ...

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