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Die Quarks im Standard-Modell - Die "Geburt" der Quarks  

Quarks als elementare Bausteine der Materie sind für uns heute eine Selbstverständlichkeit. Der Weg zum Quark- und Standard-Modell hat - in seiner entscheidenden Phase - allerdings Jahrzehnte gedauert. 

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 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. 

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  zur Seite über 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).
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). Murray Gell-Mann
das Baryonen-Oktett im Hadronen-Bild

Ähnlich, wie sich die Atome im Periodensystem aufgrund unterschiedlicher Protonenzahlen des Kerns ordnen lassen, suchte man für die Hadronen aufgrund der Einordnung in Multipletts nach einer Substruktur und den entsprechenden Teilchen, aus denen sie sich zusammensetzen ließen.

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. Der Name Quark ist dem Buch Finnegans Wake von James Joyce entnommen. Mit Quark wird dort ein "junger Kerl", ein "Grünschnabel" bezeichnet. 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 "

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 (z.B. das Pion als u d ).
Baryonen sind gebundene Systeme aus drei Quarks (z.B. das Proton als uud) und Antibaryonen bestehen aus drei Antiquarks.
der Quarkinhalt des Pions der Quarkinhalt des Protons

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 ( S 0 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 S 0 hat Isospin I = 0 (es gehört zu einem Isospin-Triplett). (siehe dazu auch zum Literaturverzeichnis; [LOH 1992, S. 135f] )
das Baryonen-Oktett im Quark-Bild


 

 

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