Quarks, Entdeckung von

Das zwanzigste Jahrhundert begann mit der Bestätigung, dass Materie nicht kontinuierlich war, sondern aus winzigen Atomen und Molekülen bestand. Es endete mit der Bestätigung, dass Materie zum Teil aus noch winzigeren Objekten besteht, die Quarks genannt werden.

Atome bestehen aus Kernen und Elektronen, und Kerne bestehen aus Neutronen und Protonen. Im Jahr 1950 galten Proton und Neutron jedoch als die letzten elementaren Bestandteile der Materie. Das Pion war der Träger der starken Kraft, die Protonen und Neutronen anzog, um Kerne zu bilden, genauso wie das Photon der Träger der elektromagnetischen Kraft war, die Elektronen und Kerne in Atome band. Aber bis 1962 waren viele neue unerwartete Teilchen entdeckt worden. Sie wurden zuerst in Familien gruppiert, die Multiplets genannt und durch den achtfachen Weg beschrieben wurden. Bis 1966 wurde klar, dass keines der neuen Teilchen wirklich elementar sein konnte. Das Neutron, Proton, und Pion unterschieden sich qualitativ nicht wie das Elektron und das Photon; sie und all die neuen stark wechselwirkenden Teilchen, die Baryonen und Mesonen genannt werden, wurden aus denselben noch kleineren Bausteinen gebaut, die jetzt Quarks genannt werden.

Der Achtfache Weg selbst war rätselhaft gewesen, weil er keinen Grund gab, warum bestimmte Vielfache gefunden werden sollten. Wie die Mendelejew-Tabelle der chemischen Elemente bot sie eine Möglichkeit, die sogenannten „elementaren Bestandteile der Materie“ zu klassifizieren, aber ihre Anzahl deutete darauf hin, dass sie nicht alle elementar sein konnten.

1963 wiesen Hayim Goldberg und Yuval Ne’eman darauf hin, dass alle bekannten Teilchen mathematisch aus denselben drei Bausteinen konstruiert werden könnten, die jetzt als up (u) -, Down (d) – und strange (s) -Quarks bezeichnet werden, zusammen mit ihren Antiteilchen, die jetzt als Antiquarks bezeichnet werden.

1964 wagten Murray Gell-Mann und George Zweig den Vorschlag, dass dies tatsächlich die Grundbausteine der Materie seien. Aber es entstand eine ernsthafte Schwierigkeit. Elektron, Neutron, Proton und Pion wurden experimentell als isolierte Teilchen entdeckt, die einzeln nachgewiesen und erzeugt werden konnten und deren Wege durch den Raum bestimmt werden konnten. Mit der aktuellen Technologie sind Wissenschaftler jedoch immer noch nicht in der Lage, einzelne Quarks zu erzeugen oder zu untersuchen. Aber Wissenschaftler glaubten bereits, dass Materie aus Atomen und Molekülen bestand, lange bevor jemand sie einzeln erschaffen oder entdeckt hatte. Vielleicht werden zukünftige Entdeckungen die Entstehung und den Nachweis von Quarks ermöglichen.

Es gibt keine einfachen Antworten auf die Fragen, wer das Atom entdeckt hat, wer das Quark entdeckt hat und wie die Realität von Atomen und Quarks etabliert wurde. Eine mögliche Antwort findet sich in dem Buch von E. D. Hirsch Jr. The Schools We Need and Why We Don’t Have Them: „Die wissenschaftliche Gemeinschaft gelangt zu Schlussfolgerungen durch ein Muster unabhängiger Konvergenz (eine Art intellektuelle Triangulation), das zusammen mit einer genauen Vorhersage eines der stärksten vertrauensbildenden Muster in der wissenschaftlichen Forschung ist. Es gibt nur wenige oder gar keine Beispiele in der Wissenschaftsgeschichte, bei denen dasselbe Ergebnis, das durch drei oder mehr wirklich unabhängige Mittel erreicht wurde, umgeworfen wurde“ (S.159). Hirsch zitiert Abraham Pais Biographie von Einstein für ein Beispiel dafür.:

Die Debatte über die molekulare Realität wurde ein für alle Mal wegen der außerordentlichen Übereinstimmung in den Werten von N, die durch viele verschiedene Methoden erhalten wurden, beigelegt. Die Dinge wurden nicht durch eine Bestimmung von N, sondern durch eine Überbestimmung von N entschieden. Von so unterschiedlichen Themen wie Radioaktivität, Brownsche Bewegung und das Blau am Himmel konnte bis 1909 festgestellt werden, dass ein Dutzend unabhängiger Methoden zur Messung von N Ergebnisse in bemerkenswerter Übereinstimmung miteinander erbrachten.

Im Jahr 1966 überzeugte diese Art von Indizien Richard Dalitz bereits davon, dass Materie aus Quarks besteht, als er seine eingeladene Rezension auf der jährlichen Internationalen Konferenz für Hochenergiephysik in Berkeley, Kalifornien, gab. Dieser Beweis umfasste die Existenz experimentell beobachteter Regelmäßigkeiten in den Eigenschaften von Partikeln, die bei hochenergetischen Beschleunigern erzeugt wurden, die Tatsache, dass Kollisionen zwischen verschiedenen Arten von Partikeln einfach zusammenhängen, die Tatsache, dass die elektromagnetischen Eigenschaften verschiedener Mesonen und Baryonen einfach zusammenhängen, das beobachtete experimentelle Verhältnis der magnetischen Momente von Neutron und Proton und die Tatsache, dass die Vernichtung eines Protons und eines Antiprotons in Ruhe fast immer drei Mesonen erzeugte. Thesewere sonst unerklärlich und konvergierte auf der gleichen Schlussfolgerung: mesonen und Baryonen wurden aus den gleichen elementaren Bausteinen gebaut. Diese unabhängige Konvergenz überzeugte schließlich alle, dass all die vielen Teilchen, die durch den Achtfachen Weg beschrieben wurden, nicht die Grundbausteine der Materie waren, wie früher angenommen wurde, sondern selbst aus noch kleineren Bausteinen aufgebaut waren.

Viele Teilchenphysiker konnten nicht verstehen, warum Quarks bis weit in die 1970er Jahre nicht allgemein akzeptiert wurden. Ein Problem war, dass die Werte der elektrischen Ladungen der Quarks kleiner waren als die elektrische Ladung des Elektrons. Das u-Quark hat eine positive elektrische Ladung von zwei Dritteln des Wertes der Ladung des Elektrons, und die d- und s-Quarks haben negative Ladungen von einem Drittel der Ladung des Elektrons. Bisher haben alle bekannten Teilchen Werte der elektrischen Ladung, die ganzzahlige Vielfache der Ladung des Elektrons und seines Antiteilchens, des Positrons, sind. Weder fraktioniert geladene Teilchen noch isolierte Quarks wurden jemals beobachtet.

Doch seit 1966 häufen sich immer mehr Indizien für die Existenz von Quarks als den Bausteinen, aus denen alle Materie aufgebaut ist. Alle Teilchen, die ständig entdeckt werden und die in die durch den Achtfachen Weg definierten Multiplets passen, verhalten sich so, als wären sie entweder aus drei Quarks oder aus einem einzigen Quark und einem einzigen Antiteilchen des Quarks, einem Antiquark, aufgebaut.

Die Suche nach Beweisen für einzelne Quarks

Seit dem ersten Quarkvorschlag im Jahr 1964 haben Experimentatoren nach Teilchen gesucht, deren elektrische Ladungen geringer sind als die Ladung des Elektrons. Aber es wurden keine gefunden. Alle überwältigenden Beweise für die Existenz von Quarks stammten aus Eigenschaften der Mesonen und Baryonen, die darauf hindeuteten, dass sie aus Quarks aufgebaut waren.

In den 1970er Jahren ergaben Experimente, bei denen hochenergetische Elektronen auf ein Protonentarget geschossen wurden, Hinweise darauf, dass die Elektronen auf einzelne Quarks trafen und von diesen gestreut wurden. Auch hier waren die Beweise noch Indizien. Das Quark selbst wurde nie beobachtet. Aber ein Elektron, das von einem punktförmigen Objekt mit einer elektrischen Ladung gestreut wird, ändert seine Bewegungsrichtung und ändert seine Energie auf eine genau definierte und bekannte Weise. Die Untersuchung der Richtungs- und Energieänderungen in den Elektronenstreuexperimenten zeigte, dass die Elektronen von punktförmigen Bestandteilen im Proton mit den vom Quark-Modell vorhergesagten gebrochenen elektrischen Ladungen gestreut wurden.

Diese Experimente halfen zu bestätigen, dass die eigenartigen Quarks wirklich existierten. Aber sie haben zwei neue Fragen aufgeworfen. Obwohl die Quarks sehr hart vom Elektron getroffen wurden und eine sehr hohe Energie und einen sehr hohen Impuls absorbierten, wurden sie nie aus dem Proton herausgeschlagen. Isolierte freie Quarks wurden nie beobachtet. Dies deutete darauf hin, dass die Quarks durch sehr starke Kräfte innerhalb des Protons gebunden waren, die sie einschränkten. Die Elektronenstreudaten zeigten jedoch, dass die Objekte, die die Elektronen streuten, Energie und Impuls wie ein freies Teilchen übertrugen, ohne Anzeichen dafür, dass sie durch starke Kräfte eingeschränkt wurden. Diese beiden Rätsel wurden im neuen Standardmodell geklärt und mit den Namen Confinement und asymptotic Freedom versehen.

Die Kräfte, die Quarks zu Mesonen und Baryonen zusammenbinden, sind in großen Entfernungen so stark, dass die Trennung eines Quarks von seinen Nachbarn enorm viel Energie kostet. Wenn ein Quark in einem Proton mit einer Energie getroffen wird, die ausreicht, um neue Teilchen zu erzeugen, entsteht ein neues Quark-Antiquark-Paar. Das erzeugte Antiquark verbindet sich dann mit dem ursprünglichen Quark, um ein Pion oder ein anderes Meson zu erzeugen, und das erzeugte Quark kehrt zu den anderen Bestandteilen des ursprünglichen Protons zurück. Die Energie, die durch das Auftreffen auf ein Quark in einem Proton erzeugt wird, treibt das Quark nicht von selbst aus dem Proton heraus; das Quark nimmt ein Antiquark auf, das durch den großen Energietransfer entstanden ist und geht dann als Meson ab. So werden isolierte Quarks niemals als Produkte hochenergetischer Kollisionen beobachtet; vielmehr finden sie immer Partner, die in den Kollisionen entstehen, und verbinden sich mit ihnen zu Mesonen und Baryonen. Sie sind daher immer durch Bindung an Mesonen oder Baryonen begrenzt und werden niemals als isolierte freie Quarks beobachtet.

Neuere Experimente mit hochenergetischen Kollisionen zeigen, wie ein einzelnes Quark Quark-Anti-Quark-Paare erzeugt, die auf unterschiedliche Weise rekombinieren, um eine Kette von Mesonen und Baryonen zu erzeugen. Das resultierende Quarkkombiniert mit einem erstellten Antiquark zu einem Meson, sodass der Quarkpartner des Antiquarks einen neu erstellten Antiquark usw. suchen muss. Dies erscheint im Detektor des Experiments als ein „Jet“ von Teilchen, die vom Anfangsproton zum nächsten oder führenden Quark ausgehen.

Ein Analogon zu diesem Jet-Phänomen aus unserer täglichen Erfahrung ist der Blitz. Wenn die elektrische Ladung auf einer Wolke ausreichend groß wird, wird die starke Kraft auf die Luftatome so groß, dass sie in positiv und negativ geladene Ionen zerfallen. Wenn die Wolke negativ geladen ist, zieht sie die positiven Ionen an und lässt die negativen Ionen nach neuen Partnern suchen und eine Kette oder einen „Jet“ durch die Luft erzeugen, die man als Blitz sieht.

Das Standardmodell erklärt nun, wie diese starken Kräfte die Elektronenstreuexperimente, die Aufschluss über die elektrischen Ladungen der Quarks geben, nicht stören. Die als Quantenchromodynamik (QCD) bezeichnete Feldtheorie besagt, dass die Kräfte zwischen Quarks zwar auf große Entfernungen sehr stark werden, auf kurze Entfernungen jedoch so schwach werden, dass sie bei der hochenergetischen Elektronenstreuung völlig vernachlässigbar sind. Dieser Unterschied zwischen Kurz- und Langstreckenverhalten wird als asymptotische Freiheit bezeichnet.

Die Indizien für das Quarkbild

Es gibt viele Indizien für die Existenz des Quarks: die Übereinstimmung mit den experimentellen Werten der elektrischen Ladung, des Spins und der magnetischen Momente von Teilchen mit Quarkmodellvorhersagen hat eindrucksvolle Beweise geliefert.

Die elektrischen Ladungen von Baryonen aus drei Quarks mit den elektrischen Ladungswerten +⅔ und -⅓ können nur +2, +1, 0 und -1 sein. Die elektrischen Ladungen von Mesonen aus einem Quark und seinem ladungskonjugierten Antiquark können nur 1, 0 und -1 sein. Viele hundert Teilchen sind jetzt bekannt, und bisher haben alle nur diese Werte für die elektrische Ladung.

Die Drehbewegung der Teilchen und ihr Verhalten, das winzigen Magneten ähnelt, lieferten wichtige Hinweise auf ihre Struktur. Ein sich drehendes elektrisch geladenes Oberteil verhält sich wie ein Magnet. Die Stärke des winzigen Magneten des Elektrons, sein magnetisches Moment genannt, wurde erfolgreich von Paul Diracs berühmter Theorie und Gleichung beschrieben.

Die magnetischen Momente von Proton und Neutron gaben den ersten Hinweis darauf, dass sie nicht elementar waren, sondern eine kompliziertere Struktur hatten. Das Neutron hat keine elektrische Ladung, sondern verhält sich wie ein Magnet aus sich drehender negativer Ladung. Dies deutet darauf hin, dass das Neutron kein elementares Objekt ohne elektrische Ladung ist, sondern aus kleineren Bausteinen besteht, die sowohl positive als auch negative Ladungen haben, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen. Das magnetische Moment des Protons ist viel größer als das von Diracs Theorie beschriebene.

Einer der ersten Erfolge des Quarkmodells bestand darin, zu zeigen, wie die richtigen experimentellen Werte von Teilchenspins und magnetischen Momenten erhalten wurden, indem die Beiträge der Quarkspins und magnetischen Momente in jedem addiert wurden. Ein Baryon aus drei Quarks hat einen Spin, der dreimal so groß ist wie der Spin des Elektrons oder Protons, wenn die Spins parallel sind, und einen Spin, der dem Elektronenspin entspricht, wenn der Spin des einen dem Spin des anderen entgegengesetzt ist zwei. Ein Meson aus einem Quark und einem Antiquark hat einen Spin, der dem Doppelten des Elektronenspins entspricht, wenn die Spins parallel sind, und einen Nullspin, wenn sie entgegengesetzt sind und sich aufheben. Die Spins aller gemessenen Teilchen passen zu diesem Bild.

Um die Werte der magnetischen Momente im Proton und Neutron zu erhalten, muss man zunächst beachten, dass das Proton aus zwei u-Quarks mit parallelen Spins und einem d-Quark mit entgegengesetztem Spin besteht. Die u- und d-Quarks haben entgegengesetzte Vorzeichen der elektrischen Ladung, ihre Magnete zeigen in die gleiche Richtung, wenn sie sich in entgegengesetzte Richtungen drehen. Jedes magnetische Quarkmoment ist proportional zu seiner elektrischen Ladung. So tragen die beiden u-Quarks im Proton mit Ladung +⅔ jeweils +⅔ Dirac-Einheiten des magnetischen Moments bei, während sich das d-Quark mit Ladung -⅓ in die entgegengesetzte Richtung dreht und -⅓ Dirac-Einheit beiträgt. In grober Näherung addiert man diese, um das magnetische Moment des Protons als +5/3 Dirac-Einheiten zu erhalten. Das Neutron hat zwei d-Quarks mit Ladung -⅓-Einheiten und parallelen Spins, die jeweils -⅓-Einheiten beitragen, und ein u-Quark mit Ladung -⅔ und entgegengesetztem Spin, der -⅔ -Einheiten beiträgt, um ein neutronenmagnetisches Moment von -4 / 3 Dirac-Einheiten zu ergeben. Dies ergibt -5 / 4 für das Verhältnis der magnetischen Momente von Proton und Neutron. Eine genauere Berechnung unter Verwendung der quantenmechanischen Addition von Spins ergibt-3/2, was bemerkenswert gut mit dem experimentellen Wert von -1,46 übereinstimmt. Die Summe der Neutronen- und Protonenmomente ist ⅓ Dirac-Einheit. Eine vernünftige Annahme für den Wert der Quark-Dirac-Einheit ergibt einen experimentellen Wert von 0,33.

Dies ist typisch für die Anhäufung von Indizien, die den Glauben stützen, dass Quarks die richtigen Bausteine der Materie sind. Zuerst kommen die elektrischen Ladungen des Neutrons und Protons und aller anderen Teilchen richtig heraus. Zweitens werden die Spins und sehr genaue korrekte Werte für die magnetischen Momente des Neutrons und Protons erklärt. All dies bestätigt das Bild, dass sich Teilchen verhalten, „als wären sie aus Quarks gemacht.“ Ihre Elektrizität, ihr Magnetismus und ihr Spin wären sehr schwer zu verstehen, wenn sie nicht aus diesen Bausteinen gebaut wären. Es wäre zum Beispiel nicht klar, warum das Neutron, das keine elektrische Ladung hat, ein magnetisches Moment ähnlich dem Proton hat, das elektrische Ladung hat, oder warum das Neutron auch das entgegengesetzte Vorzeichen und das richtige Verhältnis zu dem vom Quarkmodell vorhergesagten Protonenmoment hat.

Dies ist nur ein Beispiel für Indizien, die die Schlussfolgerung stützen, dass Quarks die Grundbausteine aller Materie sind. Das Standardmodell, das alle theoretischen und experimentellen Untersuchungen in der Teilchenphysik leitet, beginnt mit diesem Wissen, auch wenn isolierte einzelne Quarks nie beobachtet wurden.

Siehe auch: Achtfacher Weg; Standardmodell; Symmetrieprinzipien