Charm Quark

Ein Proton, bestehend aus zwei up-Quarks und einem down-Quark

Quarks (kwɔrk, kwɑːk oder kwɑːrk) sind die elementaren Bestandteile (Elementarteilchen), aus denen man sich Hadronen (z. B. die Atomkern-Bausteine Protonen und Neutronen) aufgebaut denkt.

Sie tragen einen Spin von ½ und sind damit Fermionen. Zusammen mit den Leptonen und den Eichbosonen gelten sie heute als die fundamentalen Bausteine, aus denen alle Materie aufgebaut ist. So bestehen Baryonen (z. B. das Proton) aus drei Quarks, Mesonen (z. B. das Pion) jeweils aus einem Quark und einem Antiquark.

1964 postulierte der Caltech-Physiker Murray Gell-Mann zusammen mit seinem Kollegen George Zweig die Existenz der Quarks^[1]. Gell-Mann erhielt 1969 für die Schematisierung des hadronischen „Teilchen-Zoos“ mittels der Quarks den Nobelpreis für Physik.

Die experimentelle Untersuchung von Quarks erfolgte historisch durch tief-inelastische Elektron-Nukleon-Streuung. Hinweise auf die Existenz und die Eigenschaften der Quarks wurden dabei in den Strukturfunktionen gefunden.

Einführung

Die tief-inelastische Streuung zeigt, dass das Proton aus anderen Teilchen zusammengesetzt ist.

Die Quarks sind das bisherige Endergebnis des Versuchs, die Grundbausteine der Materie zu finden. Mit dem Siegeszug der atomistischen Theorie im 19. Jahrhundert wurden die Atome als diese Bausteine angesehen, und zuerst, wovon der Name zeugt, für unteilbar gehalten. Im Rutherfordschen Atommodell zeigte sich das Atom aus Atomkern und Hüllenelektronen zusammengesetzt. Die Kernphysik zeigte dann den Aufbau des Atomkerns aus Protonen und Neutronen. Mit nur fünf Elementarteilchen, außer Protonen, Neutronen und Elektronen noch die Myonen der Höhenstrahlung und die anfangs nur indirekt nachgewiesenen Neutrinos war in den 1930er Jahren scheinbar ein befriedigendes Bild erreicht.

Doch der Nachweis immer neuer Mesonen und Baryonen, zuerst in der Höhenstrahlung, später mit Teilchenbeschleunigern, der schließlich zum scherzhaften Ausdruck „Teilchen-Zoo“ führte, war ein Anstoß, nach grundlegenderen Teilchen zu suchen, aus denen die Hadronen, d. h. Mesonen und Baryonen, aufgebaut sind. Die andere Motivation waren Messungen des Formfaktors der stabileren Hadronen, die eindeutig eine räumliche Ausdehnung nachwiesen, während Elektronen und Myonen sich bis an die Grenzen der Messbarkeit als punktförmig erweisen.

Eigenschaften

Zu allen Quarks existiert ein entsprechendes Antiteilchen, Antiquark genannt, mit entgegengesetzter elektrischer Ladung. Nur die Quarks der ersten Generation bilden Nukleonen und somit die normale Materie. Die Bestandteile der Atomkerne, die Protonen und Neutronen, setzen sich aus Down-Quarks und Up-Quarks zusammen.

Quarks unterliegen, im Unterschied zu den Leptonen, allen Grundkräften der Physik:

• Starke Wechselwirkung
• Schwache Wechselwirkung
• Elektromagnetische Wechselwirkung
• Gravitation

Farbladung

Analogie der Farbenlehre zur Farbladung: Rot, Blau und Grün mischen sich zu weiß („farblos“)

Quarks tragen eine Ladung, die man Farbladung nennt und die drei Werte, rot, grün und blau genannt, annehmen kann. Diese drei Werte addieren sich zu Null („weiß“). Mit den aus dem Alltag bekannten Farben hat die Farbladung nichts zu tun. Antiquarks tragen entsprechend die Farbladung antirot, antigrün oder antiblau.

Nach der Theorie der starken Wechselwirkung, der Quantenchromodynamik (QCD), können nur farbneutrale („weiße“) Zustände isoliert existieren. Dieses Verhalten ist als Farbeinschluss (englisch: Confinement) bekannt. In der Tat hat man Quarks noch nie isoliert beobachtet, sondern immer in Hadronen gebunden – als Kombinationen aus drei Quarks (Baryon), drei Antiquarks (Antibaryonen) oder einem Quark und einem Antiquark (Mesonen).

Das „Nur-weiße-Teilchen“-Postulat wird damit erklärt, dass die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung, die Gluonen, selbst Farbladung (eine Farb-Antifarb-Kombination) tragen. Ein farbgeladenes Teilchen vom Rest zu trennen, würde daher extrem hohe Energie erfordern. Eine Trennung der Quarks von den Gluonen ist daher nur unter bestimmten Bedingungen und für sehr kurze Zeit möglich.

Im Rahmen einer Thermodynamik der QCD wird für Quarks ein Zustand vorausgesagt, in welchem sich die Quarks wie quasi-freie Teilchen verhalten, das Quark-Gluon-Plasma. Der zugehörige Phasenübergang wird bei einer Temperatur erwartet, die einer Energie von 200 MeV und der ein- bis dreifachen Dichte von Atomkernen entspricht. Eine direkte Beobachtung des Quark-Gluon-Plasmas ist bisher nicht möglich; Experimente am CERN und BNL liefern jedoch Hinweise auf dessen Existenz.

Elektrische Ladung

Die elektrische Ladung der Quarks ist entweder -1/3 oder +2/3 der Elementarladung. Demzufolge haben die gebundenen Zustände (Baryonen, Mesonen) immer ganzzahlige Ladungen. Experimentell (z. B. Millikan-Versuch) gibt es keine Hinweise auf gebrochene Ladungen isolierter Teilchen. Die drittelzahligen Ladungen der in Hadronen gebundenen Quarks lassen sich aber eindeutig aus Streuexperimenten ableiten.

Quark-Flavours

Im Standardmodell der Elementarteilchenphysik gehören das Down-Quark, das Up-Quark, das Elektron und das Elektron-Neutrino zur ersten Generation von Teilchen. Die sechs Quarks sind zusammen mit den Leptonen die Grundbausteine der Materie.

Die folgenden sechs verschiedenen Quark-Arten bezeichnet man auch als Quark-Flavours (Geschmacksrichtung, amerik. Englisch flavor).

Generation	Hyper- ladung	3. Komp. des Schwachen Isospins	Flavour- Quanten- zahlen	Name	Symbol	Ladung/e	Masse/MeV c-2[2]
1	1/3	+½	Iz = +½	Up	u	+2/3	1,5 bis 3,3[3]
1	1/3	−½	Iz = -½	Down	d	−1/3	3.5 bis 6[3]
2	4/3	+½	C = +1	Charm	c	+2/3	1270 +70/-11[3]
2	-2/3	−½	S = -1	Strange	s	−1/3	104 + 26/-34[3]
3	4/3	+½	T = +1	Top	t	+2/3	170900 ± 1800[4]
3	-2/3	−½	B' = -1	Bottom	b	−1/3	4200 + 170/-70[3]

Die Quantenzahlen von Top- und Bottom-Quark sind auch als truth bzw. beauty bekannt.

Dunkle Felder: u, c und t und ihre Antiteilchen sind vom Up-Typ (Ladungszahl ±2/3),
Helle Felder: d, s und b sind entsprechend vom Down-Typ (Ladungszahl ∓1/3).
Up-, Down- und Strange-Quark werden zusammenfassend als leichte Quarks bezeichnet.

Die Zuordnung der Massen ist nicht eindeutig. Man unterscheidet in diesem Zusammenhang Konstituentenquarks („effektive“ Quarks in Hadronen) und Stromquarks („nackte“ Quarks). Die hier angegebenen Massen sind die der Stromquarks. Weil Quarks nie alleine, sondern immer in Gruppen auftreten, lässt sich nur aus der Masse der Gruppe auf die der einzelnen Bestandteile schließen.

Die in der Natur auftretenden Massen-Eigenzustände der Quarks q sind nicht identisch mit den Eigenzuständen der schwachen Wechselwirkung q’. Nicola Cabibbo zeigte, wie das physikalische Down-Quark d als Mischung aus dem schwachen Down-Quark d’ und dem schwachen Strange-Quark s’ beschrieben werden kann. Die Mischung wird dabei über den sogenannten Cabibbo-Winkel parametrisiert. Dieser Formalismus wurde erweitert zu einer Mischung der schwachen Eigenzuständen von Down-, Strange- und Bottom-Quark zu den physikalischen Eigenzuständen. Dafür benötigt man statt eines einzelnen nun vier Parameter, die eine 3 × 3-Matrix, die sogenannte Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix beschreiben.

Up-Quark

Up ist Englisch für nach oben. Dieser Name beruht auf einer der physikalischen Größen, die den Quarks zugesprochen werden: dem Isospin. Der Isospin entspricht in seiner mathematischen Beschreibung einem halbzahligen Drehimpuls (Spin), der in Analogie zu diesem in zwei verschiedenen Weisen orientiert sein kann, up oder down (Diese Orientierungen haben allerdings keinerlei Bezug zu Raumrichtungen). Er wurde ursprünglich von Heisenberg vorgeschlagen, um die beiden Kernbestandteile Proton und Neutron als unterschiedliche Spin-Einstellungen ein und desselben Teilchens, des Nukleons, darzustellen. Dies war dadurch motiviert, dass sich Protonen und Neutronen aus Sicht der Kernkräfte völlig gleich verhalten. Im Konstituentenquark-Bild ist der Isospin der Nukleonen eine direkte Folge des Isospins der beteiligten Up- und Down-Quarks. Das Up-Quark hat eine elektrische Ladung von +2/3 e.

Down-Quark

Das Down-Quark entspricht der anderen Einstellung des Isospins: down. Es hat eine elektrische Ladung von −1/3 e, einen Isospin von −1/2 und eine Masse von 4 – 8 MeV.

Strange-Quark

Nachdem man mit dem auf Up- und Down-Quark basierenden Quark-Modell den Aufbau einiger Baryonen wie z. B. des Σ ⁺ , des Σ ⁻ und des Σ⁰ nicht erklären konnte, führte Gell-Mann ein neues Quark ein, um diese Teilchen mit Hilfe des Quark-Modells erklären zu können. Dieses „seltsame“ Quark nannte er Strange-Quark.

Die Seltsamkeit (engl.: Strangeness) S eines Teilchens ist entgegengesetzt gleich der Anzahl der enthaltenen Strange-Quarks. Ein einzelnes Strange-Quark hat demnach die Seltsamkeit −1.

Mesonen, die das Strange-Quark enthalten, sind beispielsweise die sogenannten Kaonen und die Phi-Resonanz. Seltsame Materie (engl. strange matter oder Strangelet) besteht aus Elementarteilchen, die das Strange-Quark enthalten.

Charm-Quark

Das Charm-Quark gehört zur 2. Familie der Quarks und ist damit Gegenstück des Strange-Quarks. Dem Charm-Quark entspricht die Charm-Quantenzahl C, die für das Charm-Quark den Wert +1 annimmt. Das Charm-Quark wurde 1970 vorhergesagt, 1974 wurde es das erste Mal in einem Experiment künstlich erzeugt. Die Lebensdauer eines Charm-Quarks beträgt ungefähr 10^-12 Sekunden, die Masse ist deutlich größer als die der drei leichten Quarks.

In Teilchendetektoren erkennt man Verbindungen mit Charm-Quarks an ihrer relativ langen Lebensdauer. Diese liegt darin begründet, dass die Charm-Quarks nur über die schwache Wechselwirkung in Strange-Quarks zerfallen können.

Das Charm-Quark ist beispielsweise Bestandteil der sogenannten D-Mesonen und des J/ψ-Mesons.

Bottom-Quark

Das Bottom-Quark (auch Beauty-Quark genannt) bildet mit dem Top-Quark, dem Tauon und dem Tauon-Neutrino die dritte Teilchengeneration des Standardmodells. Das erste Teilchen, das ein Bottom-Quark enthielt, wurde im Jahr 1977 am Fermi National Accelerator Laboratory entdeckt.

Das Bottom-Quark ist Bestandteil der sogenannten B-Mesonen und des Ypsilon-Mesons.

Die ihm zugeordnete Flavour-Quantenzahl ist die Bottomness B', das Bottom-Quark hat B' = -1.

Top-Quark

Das Top-Quark (auch Truth-Quark genannt) ist das schwerste Quark und der Partner des Bottom-Quarks. Da seine Lebensdauer nur 4,2 · 10^-25 Sekunden beträgt, kann es in der Natur keine hadronischen Bindungszustände bilden (Hadronisierung erfolgt erst nach ca. 10^-23 s). Das Top-Quark zerfällt demnach im Gegensatz zu allen anderen Quarks weit vor der Zeit, die benötigt wird, um Hadronen zu bilden. Es existieren somit weder Mesonen noch Baryonen, welche ein Top-Quark enthalten.

Eine weitere Besonderheit ist, dass es mit 172,5 ± 2,7 GeV/c² extrem schwer ist, was in der Größenordnung eines Goldatoms liegt. Es konnte aufgrund der immensen zur Erzeugung benötigten Energie erst 18 Jahre nach seinem Partner im Jahr 1995 experimentell belegt werden (von einer experimentellen Gruppe, darunter Hans Grassmann und Giorgio Bellettini, des Fermi National Accelerator Laboratory), obwohl es schon im Jahr 1977 mit der Entdeckung des Bottom-Quarks theoretisch postuliert wurde.

Die dem Top-Quark zugeordnete Flavour-Quantenzahl ist die Topness T, das Top-Quark hat T = +1.

Geschichte

Die Vorstellung von Quarks wurde 1961 unabhängig voneinander durch Murray Gell-Mann und George Zweig entwickelt. Dieses Schema gruppierte die Teilchen mit bestimmtem Isospin und bestimmter Strangeness nach einer unitären Symmetrie, die sich aus der Stromalgebra herleitete. Heutzutage ist diese globale SU(3)-Flavour-Symmetrie (nicht zu verwechseln mit der Eichsymmetrie der QCD) als Teil der näherungsweise gültigen chiralen Symmetrie der QCD bekannt.

In diesem Schema wurden die leichtesten Mesonen (Spin 0) und Baryonen (Spin ½) in Oktetten der Flavour-Symmetrie gruppiert. Eine Klassifizierung der Spin-3/2-Baryonen bildet ein Dekuplett, was zur Vorhersage eines neuen Elementarteilchens, dem Ω^-, führte. Mit der Entdeckung des Ω^- im Jahr 1964 wurde das Quark-Modell weitgehend akzeptiert.

Gell-Mann nannte dieses Schema Eightfold Way, eine Bezeichnung, die die Oktette des Modells mit dem Achtfachen Pfad des Buddhismus verbindet. Er prägte auch den Namen Quark, den er aus dem Satz „Three quarks for Muster Mark” aus James Joyce’s Roman Finnegans Wake entnahm. Da einzelne Quarks in Experimenten nie beobachtet wurden, bezeichnete Gell-Mann selbst sie als mathematische Fiktion.

Aus der Analyse bestimmter Eigenschaften bei hochenergetischen Reaktionen von Hadronen postulierte Richard Feynman 1969 eine Substruktur der Hadronen, die Partonen. Eine Skalierung der tiefinelastischen Streuquerschnitte, die James Bjorken aus der Stromalgebra herleitete, konnte ebenfalls durch die Partonen erklärt werden. Als die Bjorken-Skalierung im Jahr 1969 durch die Experimente von Jerome I. Friedman, Henry W. Kendall und Richard E. Taylor (Nobelpreis 1990) nachgewiesen wurde, war klar, dass Partonen und Quarks das gleiche sein könnten. Mit dem Beweis der asymptotischen Freiheit der QCD im Jahr 1973 durch David Gross, Frank Wilczek und David Politzer (Nobelpreis für Physik 2004) ^[5][6] etablierte sich diese Vorstellung weiter.

Das Charm-Quark wurde 1970 von Sheldon Glashow, John Iliopoulos und Luciano Maiani postuliert (GIM-Mechanismus), um bis dahin unbeobachtete Flavour-Wechsel in Zerfällen durch die schwache Wechselwirkung (sog. „Flavour-ändernde neutrale Ströme“) zu verhindern; andernfalls würden solche Flavour-Wechsel im Standardmodell auftreten. Dies wurde 1974 mit der Entdeckung des J/ψ-Mesons, welches aus einem Charm-Quark und seinem Antiquark besteht, bestätigt ^[7][8].

Die Existenz einer dritten Generation von Quarks wurde 1973 von Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa (Nobelpreis für Physik 2008) vorhergesagt. Sie stellten fest, dass die CP-Verletzung durch neutrale Kaonen nicht mit dem Standardmodell mit zwei Quark-Generationen erklärbar ist^[9]. Das Bottom-Quark und das Top-Quark wurden 1977 und 1995 am Fermilab entdeckt^[10].

Aktuelle Forschungsschwerpunkte

Die Masse des Top-Quarks und Folgen für Higgs- und Standardmodell

Einer Zusammenarbeit von Wissenschaftlern am Fermilab (Illinois/USA) gelang es erst 2004, die Masse des Top-Quark mit guter Genauigkeit zu bestimmen und damit eine bessere Vorhersage der Masse des vom Standardmodell vorhergesagten, aber noch unentdeckten Higgs-Bosons zu ermöglichen.

Quarks lassen sich experimentell nicht einzeln beobachten: Sie treten immer in Kombinationen von zwei oder drei Quarks auf (siehe unten) und sind nur indirekt anhand bestimmter Umwandlungen nachweisbar. Erst im Jahr 1995 konnten zwei Arbeitsgruppen am Fermilab (Illinois/USA) unabhängig voneinander den Nachweis von Top-Quarks bekanntgeben, die dort als Quark-Antiquark-Paare bei Proton-Antiproton-Kollisionen entstanden waren. Das gesuchte Teilchenpaar zerfällt nach extrem kurzen 10^-24 Sekunden in Bosonen sowie Verbindungen des leichteren Bottom-Quarks, die ihrerseits wieder zerfallen, so dass sich ganze Jets an Teilchen bilden. Die Masse lässt sich nur durch eine genaue Analyse der Energie- und Impulsbilanz dieser Zerfälle bestimmen. Die Auswertung solcher komplexen Zerfallsjets ergab eine erstaunlich hohe Masse von 174 GeV/c², wesentlich schwerer als die anderen Quarks; die Messunsicherheit betrug zum damaligen Zeitpunkt allerdings 10 %.

Nach erfolgreicher Aufrüstung des Fermilab sowie Verbesserung der Nachweisdetektoren wurde 1999 der Messbetrieb bei einer Kollisionsenergie von 1,8 TeV fortgesetzt. Eine höhere Produktionsrate an Top-Quarks ermöglichte dabei eine genauere Analyse der Teilchenjets. Eine der beiden Arbeitsgruppen, die DØ-Kollaboration (sprich: D-Zero), hat 2004 die Masse des Top-Quarks anhand neuer Messdaten und mit Hilfe eines verfeinerten Auswertungsverfahrens präzisiert und den momentan offiziellen Wert auf 172,7 ± 2,9 GeV korrigiert.^[11]. Die Particle Data Group gibt den aktuellen Wert (Stand 11/2007) mit 172,5 ± 2,7 GeV/c² an.^[12]

Die extrem große Masse des Top-Quarks legt nahe, dass es sich grundsätzlich von den fünf leichteren Quarks unterscheidet. Auf der Grundlage einer präzisen Messung seiner Masse lassen sich der Theorie zufolge Aussagen über die mögliche Masse des noch nicht nachgewiesenen Higgs-Bosons gewinnen. Dieses Teilchen, das 1964 von dem englischen Physiker Peter Higgs vorausgesagt wurde, wechselwirkt mit anderen Teilchen und verleiht ihnen als Austauschteilchen ihre Masse. Es komplettiert das Standardmodell. Der wahrscheinlichste Wert für die Masse dieses Higgs-Teilchens stieg von 96 auf 117 GeV, einen Wert, der momentan experimentell nicht erreichbar ist. Ein Wert unter 114 GeV ist experimentell bereits ausgeschlossen worden. Diese Diskrepanz hätte die Existenz des Higgs-Teilchens zu Fall gebracht, was eine ernst zu nehmende Inkonsistenz des Standardmodells gewesen wäre.

Die enorme Masse des Top-Quarks macht auch seine Zerfälle zu einem fruchtbaren Feld für die Suche nach neuen Teilchen, wie beispielsweise den Teilchen der Supersymmetrie, einer erfolgversprechenden Erweiterung des Standardmodells. Mit der Produktion von Top-Quark-Paaren bei höheren Kollisionsenergien lässt sich vielleicht auch die Frage beantworten, ob es sich bei den Quarks wirklich um strukturlose, fundamentale Teilchen handelt. Neue Ergebnisse erhofft man sich daher vom Large Hadron Collider (LHC) am CERN, der Anfang September 2008 in Betrieb genommen wurde. Dort werden zwei Protonenstrahlen mit jeweils 7 TeV zur Kollision gebracht.

Einzelnachweise

1. ↑ M. Gell-Mann: A Schematic model of baryons and mesons in Phys. Lett. 8, 1964, 214-215, doi:10.1016/S0031-9163(64)92001-3
2. ↑ In der Teilchenphysik wird oft in natürlichen Einheiten gerechnet, wobei Massen vermöge Einsteins Relation E = mc² in der Energieeinheit Elektronenvolt (eV) angegeben werden. Dabei entspricht 1 MeV/c² einer Masse von ca. 1,8 · 10^-30 kg.
3. ↑ ^{a b c d e} Die Massen der Quarks, außer für Top, stammen von der Particle Data Group (en). Die Quarkmassen sind im MS-quer Schema angegeben.
4. ↑ Die Top-Quark-Masse stammt von der Tevatron Electroweak Working Group (en) Stand 19. März 2007
5. ↑ D. J. Gross, Frank Wilczek: Ultraviolet Behavior Of Nonabelian Gauge Theories in Phys. Rev. Lett. 30, 1973, 1343-1346
6. ↑ H. David Politzer: Reliable Perturbative Results for Strong Interactions? in Phys. Rev. Lett. 30, 1973, 1346-1349
7. ↑ E598 Collaboration (J. J. Aubert et al.): Experimental Observation Of A Heavy Particle J in Phys. Rev. Lett. 33, 1974, 1404–1406
8. ↑ SLAC-SP-017 Collaboration (J. E. Augustin et al.): Discovery of a narrow Resonace in e+ e- Annhilation in Phys. Ref. Lett. 33, 1974, 1406–1408 slac-pub-1504
9. ↑ M. Kobayashi, T. Masukawa: CP violation in the renormalizable theory of weak interaction in Prog. Theor. Phys. 49, 1973, 652–657
10. ↑ CDF Collaboration (F. Abe et al.): Observation of top quark production in anti-p p collisions in Phys. Ref. Lett. 75, 1995, 2626–2631 hep-ex/9503002
11. ↑ The CDF-Collaboration, the DØ-Collaboration, the Tevatron Electroweak Working Group, Combination of CDF and DØ Results on the Top-Quark Mass hep-ex/0507091
12. ↑ W.-M. Yao et al. (Particle Data Group), J. Phys. G 33, 1 (2006) and 2007 partial update for edition 2008 t-Quark

Literatur

• G. Weiglein, in: Nature. London 429.2004, 613. ISSN 0028-0836
• DØ-Collaboration. in: Nature. London 429.2004, 638. ISSN 0028-0836

Weblinks

• Was sind Quarks?, Flash-Video aus der Fernsehsendung alpha-Centauri (JavaScript benötigt)
• „The Particle Adventure“ (Gute Einführung in die Welt der Quarks)
• Die „Geburt“ der Quarks (Grundlagen der Teilchenphysik – Uni Erlangen), gut erklärt
• Was sind Quarks?
• Wie spricht man „Quark“ richtig aus?