Was ist ein Quark? Die Bausteine der Materie

Was ist ein Quark? Eine Definition

Ein Quark ist ein elementares Teilchen – ein Baustein der Materie, der nach heutigem Wissen keine innere Struktur besitzt und sich nicht weiter zerlegen lässt. Zusammen mit den Leptonen (zu denen das Elektron und das Neutrino gehören) bilden die Quarks die Klasse der Fermionen, aus denen alle bekannte Materie aufgebaut ist. Quarks sind zugleich die einzigen bekannten Elementarteilchen, die allen vier fundamentalen Wechselwirkungen unterliegen: der starken und der schwachen Kernkraft, der elektromagnetischen Kraft und der Gravitation.

Das Besondere an Quarks ist, dass sie niemals allein auftreten. Sie schließen sich stets zu gebundenen Zuständen zusammen, den sogenannten Hadronen. Die bekanntesten Hadronen sind das Proton und das Neutron, die Bausteine jedes Atomkerns. Ein Proton besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark, ein Neutron aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks – das sind die sogenannten Valenzquarks. Quarks sind damit die eigentlichen Bausteine, aus denen fast die gesamte sichtbare Materie des Kosmos besteht.

Quarks sind fester Bestandteil des Standardmodells der Teilchenphysik, der bislang erfolgreichsten Theorie über den Aufbau der Materie. Innerhalb dieses Ordnungsschemas gehören Quarks – wie Elektronen und Neutrinos – zu den subatomaren Teilchen, sind aber im Gegensatz zu Protonen und Neutronen tatsächlich elementar.

Die sechs Flavours und drei Generationen

Es gibt sechs verschiedene Sorten von Quarks, in der Physik als „Flavours" (Geschmacksrichtungen) bezeichnet. Sie tragen bewusst skurrile Namen: Up (oben), Down (unten), Charm (Charme), Strange (seltsam), Top (Spitze) und Bottom (Boden). Diese sechs Flavours ordnen sich in drei Generationen oder Familien, wobei jede Generation aus einem Paar besteht.

Die erste Generation umfasst Up und Down – die leichtesten und stabilsten Quarks, aus denen die gewöhnliche Materie besteht. Die zweite Generation bilden Charm und Strange, die dritte Top und Bottom. Mit jeder Generation nimmt die Masse drastisch zu: Das Up-Quark ist extrem leicht, während das Top-Quark mit rund 173 GeV/c² etwa 80.000-mal schwerer ist – seine Masse liegt damit ungefähr in der Größenordnung eines ganzen Goldatoms. Die schwereren Quarks der zweiten und dritten Generation sind instabil und wandeln sich über die schwache Kernkraft rasch in leichtere Quarks um.

Jedes Quark trägt eine drittelzahlige elektrische Ladung – eine Eigenschaft, die es in der Teilchenwelt einzigartig macht. Up, Charm und Top haben die Ladung +2/3, Down, Strange und Bottom die Ladung −1/3 (jeweils in Einheiten der Elementarladung). Aus dieser Kombination ergibt sich die ganzzahlige Ladung der Hadronen: Zwei Up (+2/3) und ein Down (−1/3) ergeben zusammen genau +1, die Ladung des Protons; ein Up und zwei Down ergeben null, die neutrale Ladung des Neutrons. Zu jedem Quark existiert außerdem ein Antiteilchen, das Antiquark, mit umgekehrter elektrischer Ladung und entsprechender Antifarbe.

Farbladung und die starke Kernkraft

Neben der elektrischen Ladung tragen Quarks eine zweite, ganz andere Art von Ladung: die Farbladung. Der Name hat nichts mit sichtbaren Farben zu tun, sondern ist eine Analogie. Es gibt drei Farbladungen – üblicherweise rot, grün und blau genannt – sowie die entsprechenden Antifarben. Die Farbladung ist die Quelle der starken Kernkraft, der stärksten der vier fundamentalen Wechselwirkungen.

Die Theorie, die diese Kraft beschreibt, heißt Quantenchromodynamik (QCD, von griechisch chroma = Farbe). Vermittelt wird die starke Kraft durch Austauschteilchen, die Gluonen. Anders als das Photon, das die elektromagnetische Kraft überträgt und selbst elektrisch neutral ist, tragen Gluonen selbst Farbladung. Deshalb wechselwirken Gluonen auch untereinander – ein Umstand, der die starke Kraft ungewöhnlich macht und für die Bindung der Quarks entscheidend ist.

Ein stabiles Hadron muss immer „farbneutral" oder „weiß" sein. Das gelingt auf zwei Weisen: durch die Kombination aller drei Farben (rot + grün + blau) in einem Baryon wie dem Proton, oder durch die Paarung einer Farbe mit ihrer Antifarbe in einem Meson. In den vergangenen Jahren wurden an Beschleunigern zusätzlich exotische Hadronen mit vier oder fünf Quarks beobachtet, sogenannte Tetra- und Pentaquarks. Die Rollenverteilung bleibt dabei stets dieselbe: Quarks sind Fermionen und damit Materiebausteine, während die Gluonen als Kraftvermittler zur Teilchenklasse der Bosonen gehören, die der Bose-Einstein-Statistik folgen.

Confinement: Warum man Quarks nie einzeln sieht

Eine der bemerkenswertesten Eigenschaften der Quarks ist das sogenannte Confinement (Einschließung): Ein einzelnes, isoliertes Quark wurde noch nie beobachtet und lässt sich nach heutigem Verständnis auch prinzipiell nicht isolieren. Der Grund liegt im ungewöhnlichen Verhalten der starken Kraft. Anders als bei der Gravitation oder der elektromagnetischen Kraft nimmt die Anziehung zwischen zwei Quarks mit wachsendem Abstand nicht ab – sie bleibt annähernd konstant, ähnlich einem Gummiband.

Versucht man, zwei Quarks auseinanderzuziehen, steckt man immer mehr Energie in das „Band" zwischen ihnen. Irgendwann wird diese Energie so groß, dass daraus gemäß Einsteins Beziehung E = mc² ein neues Quark-Antiquark-Paar entsteht. Statt eines isolierten Quarks erhält man also zwei neue Hadronen. Quarks bleiben so gewissermaßen immer in gebundenen Zuständen gefangen.

Das Gegenstück dazu ist die asymptotische Freiheit: Bei sehr kleinen Abständen – also sehr hohen Energien – wird die starke Kraft überraschend schwach, und die Quarks verhalten sich nahezu wie freie Teilchen. Diese kontraintuitive Entdeckung gelang 1973 David Gross, Frank Wilczek und H. David Politzer, die dafür 2004 den Nobelpreis für Physik erhielten. Genau diese Quasi-Freiheit im Inneren der Hadronen machte die Quarks in Streuexperimenten überhaupt erst sichtbar.

Geschichte: Von James Joyce bis Fermilab

Das Quark-Modell wurde 1964 unabhängig voneinander von zwei Physikern vorgeschlagen: Murray Gell-Mann, damals am California Institute of Technology, und George Zweig, der seine Arbeit während eines Aufenthalts am CERN verfasste. Beide erkannten, dass sich die verwirrende Vielzahl der damals bekannten Hadronen elegant ordnen lässt, wenn man sie als Kombinationen weniger fundamentaler Bausteine auffasst. Zunächst genügten drei Quarks – Up, Down und Strange –, um das beobachtete Teilchenschema zu erklären.

Den ungewöhnlichen Namen „Quark" entlehnte Gell-Mann dem Roman „Finnegans Wake" von James Joyce, in dem die Zeile „Three quarks for Muster Mark" vorkommt. Der Ausdruck passte insofern gut, als Quarks tatsächlich zu dritt in den Baryonen auftreten. Zweig nannte seine Bausteine hingegen „Aces" (Asse), doch diese Bezeichnung setzte sich nicht durch.

Anfangs galten Quarks vielen als reines mathematisches Hilfsmittel. Erst Ende der 1960er Jahre lieferten Experimente zur tiefinelastischen Streuung am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) die entscheidenden Hinweise: Beim Beschuss von Protonen mit hochenergetischen Elektronen zeigte sich, dass die Elektronen an harten, punktförmigen Objekten im Inneren des Protons streuten. Diese „Partonen" erwiesen sich als die Quarks; Jerome Friedman, Henry Kendall und Richard Taylor erhielten dafür 1990 den Nobelpreis. Die schwereren Flavours folgten nach und nach – Hinweise auf das Charm-Quark 1974 mit der Entdeckung des J/ψ-Teilchens, auf das Bottom-Quark 1977 am Fermilab. Das letzte und schwerste, das Top-Quark, wurde 1995 von den Experimenten CDF und DØ am Fermilab bei Chicago nachgewiesen – mehr als drei Jahrzehnte nach der ursprünglichen Vorhersage.

Quarks, Betazerfall und die schwache Kraft

Quarks sind nicht unveränderlich – über die schwache Kernkraft kann sich ein Flavour in einen anderen umwandeln. Dieser Mechanismus liegt dem Betazerfall zugrunde, einer der wichtigsten Formen des radioaktiven Zerfalls. Beim Beta-minus-Zerfall wandelt sich ein Down-Quark in ein Up-Quark um; dabei entsteht ein W-Boson, das sich unmittelbar in ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino umwandelt.

Aus Sicht des Atomkerns bedeutet diese Quark-Umwandlung, dass sich ein Neutron (Up-Down-Down) in ein Proton (Up-Up-Down) verwandelt. Auf der fundamentalen Ebene ist es also die Verwandlung eines einzigen Quarks, die einen ganzen Kern verändert und ein Neutrino beziehungsweise – im Fall des Beta-minus-Zerfalls – ein Antineutrino freisetzt. Damit verbindet der Betazerfall die Welt der Quarks direkt mit der Neutrinophysik.

Die Umwandlung von Quark-Flavours über die schwache Kraft folgt bestimmten Wahrscheinlichkeiten, die in der sogenannten CKM-Matrix (nach Cabibbo, Kobayashi und Maskawa) zusammengefasst sind. Sie beschreibt, wie stark die Generationen miteinander mischen, und enthält einen Parameter für die CP-Verletzung – jene feine Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie, für deren theoretische Beschreibung Kobayashi und Maskawa 2008 den Nobelpreis erhielten. Die im Standardmodell beobachtete CP-Verletzung reicht allerdings bei Weitem nicht aus, um den Materieüberschuss im Universum zu erklären; die Frage bleibt offen.

Masse, Higgs und offene Fragen

Woher haben Quarks ihre Masse? Ihre sogenannte Stromquarkmasse verdanken sie der Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld. Das zugehörige Higgs-Boson wurde am 4. Juli 2012 von den Experimenten ATLAS und CMS am Large Hadron Collider des CERN bekannt gegeben, mit einer Masse von rund 125 GeV/c²; François Englert und Peter Higgs erhielten dafür 2013 den Nobelpreis für Physik. Der Higgs-Mechanismus erklärt jedoch nur die Masse der Elementarteilchen selbst – etwa der Quarks, Leptonen sowie der W- und Z-Bosonen. Der weitaus größte Teil der Masse eines Protons stammt gerade nicht von den Quarkmassen: Rund 99 Prozent entstehen aus der Bindungsenergie der starken Kraft, aus der wimmelnden Wolke von Gluonen und kurzlebigen Quark-Antiquark-Paaren im Inneren.

Trotz des großen Erfolgs des Standardmodells bleiben zentrale Fragen offen. Warum gibt es genau sechs Flavours und drei Generationen? Warum sind ihre Massen so extrem unterschiedlich? Das Standardmodell liefert dafür keine Erklärung, sondern nimmt diese Werte als gemessene Größen hin. Auch beschreibt es weder die Dunkle Materie noch die Gravitation auf Quantenebene.

Ein weiteres aktives Forschungsfeld ist das Quark-Gluon-Plasma – ein Zustand, in dem bei extrem hohen Temperaturen, wie sie kurz nach dem Urknall herrschten, Quarks und Gluonen kurzzeitig nicht in Hadronen eingeschlossen sind. Solche Zustände werden heute in Schwerionen-Kollisionen am CERN und am Brookhaven National Laboratory untersucht und geben Einblick in die ersten Millionstelsekunden des Universums.

Quarks, Neutrinos und angewandte Grundlagenforschung

Die Physik der Quarks und die der Neutrinos sind über die schwache Wechselwirkung eng verwoben: Dieselbe Kraft, die ein Down-Quark in ein Up-Quark umwandelt, erzeugt die Neutrinos, die in unvorstellbarer Zahl durch Sonne, Erde und uns hindurchströmen. Wer verstehen will, woher Neutrinos kommen, landet zwangsläufig bei der Flavour-Umwandlung von Quarks – und umgekehrt liefern Präzisionsmessungen an Neutrinos Rückschlüsse auf die Struktur des Standardmodells.

An diesem Grundlagenwissen setzt auch die 2008 in Berlin gegründete Neutrino Energy Group an: Ihr Forschungsansatz Neutrinovoltaic untersucht, ob sich Anteile der ständig vorhandenen Umgebungsstrahlung sowie thermischer und mechanischer Umgebungsbewegung an mehrschichtigen Graphen-Silizium-Strukturen in eine messbare elektrische Spannung übersetzen lassen – Grundlagenforschung im Entwicklungsstadium, kein marktreifes Produkt und keine abgeschlossene wissenschaftliche Anwendung. Für das Verständnis der Quarks selbst spielt das keine Rolle: Quarks bleiben ein Kapitel der reinen Teilchenphysik und einer der fundamentalsten Ausgangspunkte, um zu verstehen, wie Materie im Kleinsten aufgebaut ist.