Quelltext der Seite Quark (Physik)

[[Datei:Quark structure proton.svg|mini|Ein Proton, bestehend aus zwei ''up''-Quarks und einem ''down''-Quark]]

'''Quarks''' ([{{IPA|kwɔrk}}s], [{{IPA|kwɑːk}}s] oder [{{IPA|kwɑrk}}s]) sind im [[Standardmodell]] der [[Teilchenphysik]] die elementaren Bestandteile ([[Elementarteilchen]]), aus denen [[Hadron]]en (z.&nbsp;B. die [[Atomkern]]-Bausteine [[Proton]]en und [[Neutron]]en) bestehen.

Sie haben die [[Spinquantenzahl]] <math>1/2</math> und sind somit [[Fermion]]en. Zusammen mit den [[Lepton]]en und den [[Eichboson]]en gelten sie heute als die fundamentalen Bausteine, aus denen alle [[Materie]] aufgebaut ist. So bestehen [[Baryon]]en (z.&nbsp;B. das [[Proton]]) aus drei Quarks, [[Meson]]en (z.&nbsp;B. das [[Pion]]) jeweils aus einem Quark und einem Antiquark.

1963 postulierte der Schweizer Physiker [[André Petermann]] die Existenz der Quarks. Sein Manuskript wurde aber erst 1965 veröffentlicht.<ref>{{Literatur |Autor=Vladimir A. Petrov |Titel=Half a Century with Quarks |Sammelwerk=30th International Workshop on High Energy Physics : Particle and Astroparticle Physics, Gravitation and Cosmology: Predictions, Observations and New Projects. (IHEP 2014) |Datum=2014 |Seiten= |arxiv=1412.8681 |DOI=10.1142/9789814689304_0027}}</ref> 1964 entwickelte der [[California Institute of Technology|Caltech]]-[[Physiker]] [[Murray Gell-Mann]] die gleiche Annahme.<ref name="Gell-Mann1964">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]].</ref> Für die Strukturierung des hadronischen „Teilchen-Zoos“ mittels der Quarks erhielt er 1969 den [[Nobelpreis für Physik]]. Unabhängig davon entwickelte [[George Zweig]] am [[CERN]] ein ähnliches Modell, dessen fundamentale Bausteine er „aces“ nannte.<ref>G. Zweig: ''An SU(3) Model for Strong Interaction Symmetry and Its Breaking I+II''. 1964, [http://cdsweb.cern.ch/record/352337?ln=en CERN Preprint CERN-TH-401]</ref> Die Veröffentlichung seiner Manuskripte scheiterte jedoch am Widerstand seiner Vorgesetzten.
Die Klassifikation der damals bekannten [[Hadron]]en mit der speziell-unitären Gruppe SU(3) schlug unabhängig auch [[Juval Ne’eman]] 1962 vor.

Die experimentelle Untersuchung von Quarks durch [[Tiefinelastische Streuung|tief-inelastische Elektron-Nukleon-Streuung]] begann Ende der 1960er Jahre. Hinweise auf die Existenz und die Eigenschaften der Quarks wurden dabei in den [[Strukturfunktion]]en gefunden, wobei die punktförmigen Konstituenten der Hadronen damals nur [[Parton (Physik)|Partonen]] genannt wurden.

Die Tatsache, dass bislang noch keine freien Quarks beobachtet werden konnten, stellt eines der größten ungelösten Probleme der Teilchenphysik dar. Dieses als [[Confinement]] bekannte Phänomen ist eines der [[Millennium-Probleme]] (siehe [[Yang-Mills-Theorie]]). Es gibt zwar starke Hinweise darauf, dass die Theorie der [[Starke Wechselwirkung|starken Wechselwirkung]], die [[Quantenchromodynamik|Quantenchromodynamik (QCD)]], zu einem solchen Einschluss der Quarks führt, ein strenger mathematischer Beweis steht aber noch aus.<ref>[http://www.claymath.org/millennium-problems/yang%E2%80%93mills-and-mass-gap Confinement Problem.] Clay Mathematics Institute</ref><ref>{{Literatur |Autor=Jeff Greensite |Titel=Introduction to the Confinement-Problem |Auflage=1 |Verlag=Springer |Ort=Berlin |Datum=2011 |ISBN=978-3-642-14381-6}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=R. Alkofer, J. Greensite |Titel=Quark Confinement: The Hard Problem of Hadron Physics |Sammelwerk=Journal of Physics |Band=G |Nummer=34 |Datum=2007 |arxiv=hep-ph/0610365 |DOI=10.1088/0954-3899/34/7/S02}}</ref>

== Einführung ==

[[Datei:DIS.svg|mini|[[Feynman-Diagramm]] einer tiefinelastischen Streuung. Der experimentelle Nachweis solcher Streuereignisse zeigt, dass Protonen aus anderen Teilchen zusammengesetzt sind.]]

Mit dem Siegeszug der [[atom]]istischen Theorie im 19. Jahrhundert wurden die Atome als diese Bausteine angesehen und zuerst, wovon auch der Name zeugt, für unteilbar gehalten. Im [[Rutherfordsches Atommodell|Rutherfordschen Atommodell]] zeigte sich, dass das Atom aus [[Atomkern]] und [[Hüllenelektron]]en zusammengesetzt ist. Die [[Kernphysik]] zeigte dann den Aufbau des Atomkerns aus [[Proton]]en und [[Neutron]]en. Mit den fünf [[Elementarteilchen]] Protonen, Neutronen, Elektronen, [[Myon]]en und [[Neutrino]]s war in den 1930er Jahren ein scheinbar vollständiges Bild vom Aufbau der [[Materie]] erreicht.

Doch der Nachweis immer neuer [[Meson]]en und [[Baryon]]en, zuerst in der Höhenstrahlung, später mit [[Teilchenbeschleuniger]]n, der schließlich zum scherzhaften Ausdruck „Teilchenzoo“ führte, war ein Anstoß, nach grundlegenderen Teilchen zu suchen, aus denen die [[Hadron]]en, d.&nbsp;h. Mesonen und Baryonen, aufgebaut sind. Die andere Motivation waren Messungen des [[Formfaktor (Physik)|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 gibt es ein [[Antiteilchen]] mit entgegengesetzter elektrischer Ladung. Diese Antiteilchen werden Antiquarks genannt. Nur die Quarks der ersten Generation bilden [[Nukleon]]en und somit die normale Materie. Die Bestandteile der Atomkerne, die [[Proton]]en und [[Neutron]]en, setzen sich aus Down-Quarks und Up-Quarks zusammen.

Quarks unterliegen, im Unterschied zu den [[Lepton]]en, allen [[Grundkräfte der Physik|Grundkräften der Physik]]:
* [[Starke Wechselwirkung]]
* [[Schwache Wechselwirkung]]
* [[Elektromagnetische Wechselwirkung]]
* [[Gravitation]]

=== Farbladung ===

{{Hauptartikel|Farbladung}}

Quarks tragen eine Ladung, die man [[Farbladung]] nennt. Die Farbladung kann die drei Werte ''rot'', ''grün'' und ''blau'' annehmen. Wenn drei Quarks mit je einem dieser drei Werte zusammenkommen, dann ist das daraus entstehende Objekt farblos. Mit den aus dem Alltag bekannten Farben hat die Farbladung nichts zu tun. Antiquarks tragen entsprechend die Farbladung ''antirot'', ''antigrün'' oder ''antiblau''.

Die [[Confinement|Confinement-Hypothese]] besagt, dass nur farblose Zustände isoliert existieren können. Diese Annahme wurde aufgestellt, nachdem man einzelne Quarks nie isoliert beobachten konnte. Sie sind immer in Hadronen gebunden. Bei [[Baryon]]en sind sie als Kombinationen aus drei Quarks eingebunden. Bei Antibaryonen sind es drei Antiquarks. [[Meson]]en bestehen dagegen aus jeweils einem Quark und einem Antiquark. Theoretisch könnten auch andere farblose Zustände existieren. Beispiele wären vier Quarks und ein Anti-Quark (ein  [[Pentaquark]])  oder zwei Quarks in Kombination mit zwei Antiquarks. Ob solche Objekte tatsächlich existieren, ist Gegenstand aktueller Forschung.

Mit [[Gittereichtheorie|Computersimulationen]] kann man zeigen, dass sich zwischen zwei statischen Quarks (Paarerzeugung wird unterdrückt) ein Potential ausbildet, welches mit dem Abstand linear zunimmt. Dies wird damit erklärt, dass sich die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung, die [[Gluon]]en, die selbst Farbladung (eine Farb-Antifarb-Kombination) tragen, zu einem Strang binden, dessen Energie mit der Länge wächst. 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.<ref>{{Literatur |Autor=Christof Gattringer, Christian B. Lang |Titel=Quantum Chromodynamics on the Lattice: An Introductory Presentation |Auflage=1 |Verlag=Springer |Datum=2009 |ISBN=978-3-642-01849-7}}</ref>

Die genauen Mechanismen, wie dieser Strang gebildet wird, hängt mit der Wechselwirkung der Gluonen untereinander bzw. der Wechselwirkung der Gluonen mit Vakuumfluktuationen zusammen und ist Gegenstand aktueller Forschung. Es gibt verschiedene Szenarien, wie sich dieser Strang bilden kann, ein einheitliches Bild hat sich jedoch noch nicht durchgesetzt.<ref>{{Literatur |Autor=R. Alkofer, J. Greensite |Titel=Quark Confinement: The Hard Problem of Hadron Physics |Sammelwerk=Journal of Physics |Band=G |Nummer=34 |Datum=2007 |arxiv=hep-ph/0610365 |DOI=10.1088/0954-3899/34/7/S02}}</ref>

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&nbsp;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 [[Brookhaven National Laboratory|BNL]] liefern jedoch Hinweise auf dessen Existenz.

=== Elektrische Ladung ===

{{Hauptartikel|Elektrische Ladung}}

Die [[elektrische Ladung]] der Quarks ist entweder −1/3 oder +2/3 der [[Elementarladung]]. Da nur farblose Zustände isoliert existieren dürfen, sind nur gebundenen Zustände solcher (Anti-)Quark-Kombinationen –&nbsp;(Anti-)Baryonen&nbsp;– oder Quark-Anti-Quark-Kombinationen –&nbsp;Meson&nbsp;– zulässig, die ganzzahlige Ladungen aufweisen. Experimentell (z.&nbsp;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 [[Streuexperiment]]en 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 [[Lepton]]en und den [[Eichboson]]en die Grundbausteine der [[Materie (Physik)|Materie]].

Die folgenden sechs verschiedenen Quark-Arten bezeichnet man auch als Quark-[[Flavour]]s (Geschmacksrichtung, amerik. Englisch ''flavor'').

{| class="wikitable" style="margin-left:2em"
|- class="hintergrundfarbe9"
! Gene-<br />ration || Name || Symbol || [[Elektrische Ladung|Ladung]] ([[Elementarladung|e]]) || [[Flavour]]-<br />Quanten-<br />zahlen || [[Hyperladung|Hyper-<br />ladung]] || Masse ([[Elektronenvolt|MeV]])<ref>In der [[Teilchenphysik]] wird oft in [[Natürliche Einheiten|natürlichen Einheiten]] gerechnet, wobei Massen vermöge Einsteins Relation ''E&nbsp;=&nbsp;mc<sup>2</sup>'' in der Energieeinheit [[Elektronenvolt]] (eV) angegeben werden. Dabei entspricht 1&nbsp;MeV/c<sup>2</sup> einer Masse von ca. 1,8&nbsp;·&nbsp;10<sup>−30</sup>&nbsp;kg.</ref><ref name="Massen">Die Massen der Quarks stammen aus folgender Quelle: C. Patrignani et al. (Particle Data Group), Chin. Phys. C, 40, 100001 (2016) and [http://pdg.lbl.gov/2017/tables/rpp2017-sum-quarks.pdf 2017 update] (PDF). Die Quarkmassen sind im MS-quer-Schema angegeben.</ref>
|- class="hintergrundfarbe5"
|rowspan="2" style="text-align:center"| 1 
| Up      || '''u''' || +{{Bruch|2|3}} || [[Isospin|I]]<sub>z</sub> = +{{Bruch|1|2}}  || +{{Bruch|1|3}} || {{0}}{{0}}{{0}}{{0}}{{0}}2,2<math>^{+0,6}_{-0,4}</math>
|-
| Down    || '''d''' || −{{Bruch|1|3}} || [[Isospin|I]]<sub>z</sub> = −{{Bruch|1|2}} || +{{Bruch|1|3}} || {{0}}{{0}}{{0}}{{0}}{{0}}4,7<math>^{+0,5}_{-0,4}</math>
|- class="hintergrundfarbe5"
|rowspan="2" style="text-align:center"| 2 
| Charm   || '''c''' || +{{Bruch|2|3}} || [[Charm (Physik)|C]] = +1 || +{{Bruch|4|3}} || {{0}}{{0}}1280 ± 30
|-
| Strange || '''s''' || −{{Bruch|1|3}} || [[Strangeness|S]] = −1  || −{{Bruch|2|3}} || {{0}}{{0}}{{0}}{{0}}96<math>^{+8}_{-4}</math>
|- class="hintergrundfarbe5"
|rowspan="2" style="text-align:center"| 3 
| Top     || '''t''' || +{{Bruch|2|3}} || [[Topness|T]] = +1 || +{{Bruch|4|3}} || 173100 ± 600
|-
| Bottom  || '''b''' || −{{Bruch|1|3}} || [[Bottomness|B']] = −1 || −{{Bruch|2|3}} || {{0}}{{0}}4180<math>^{+40}_{-30}</math>
|}

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, bei den Antiteilchen umgekehrtes Vorzeichen),<br />
Helle Felder: '''d''', '''s''' und '''b''' sind entsprechend vom '''Down-Typ''' (Ladungszahl −1/3).<br />
Up-, Down- und Strange-Quark werden zusammenfassend als '''leichte Quarks''' bezeichnet.

Die Zuordnung der [[Masse (Physik)|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-[[Eigenzustand|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&nbsp;×&nbsp;3-Matrix, die sogenannte [[CKM-Matrix|Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix]], beschreiben.

=== Up-Quark ===

''Up'' ist Englisch für ''(nach) oben''. Dieser Name verweist auf eine der physikalischen Größen, die den Quarks zugesprochen werden: dem [[Isospin]]. Der Isospin entspricht in seiner mathematischen Beschreibung einem Drehimpuls (Spin) mit der [[Quantenzahl]] <math>1/2</math> und kann wie dieser in zwei „Richtungen“ orientiert sein, ''up'' oder ''down'' (Diese Richtungen haben nichts mit Raumrichtungen zu tun). Er wurde ursprünglich von [[Werner Heisenberg|Heisenberg]] vorgeschlagen, um die beiden Kernbestandteile [[Proton]] und [[Neutron]] als unterschiedliche Zustände ein und desselben Teilchens, des [[Nukleon]]s, 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&nbsp;e.

=== Down-Quark ===

''Down'' ist englisch für ''nach unten''. Das Down-Quark entspricht der anderen Einstellung des [[Isospin]]s: ''down''. Es hat eine elektrische Ladung von −1/3&nbsp;e, einen Isospin von −1/2 und eine Masse von (5±1)&nbsp;MeV.<ref>{{Internetquelle |autor=K. Nakamura ''et al.'' ([[Particle Data Group]]) |hrsg=[[Particle Data Group]] |url=http://pdg.lbl.gov/2010/tables/rpp2010-sum-quarks.pdf |format=PDF; 40&nbsp;kB |sprache=en |titel=PDGLive Particle Summary Quarks (u, d, s, c, b, t, b', t', Free) |werk= |datum=2010 |zugriff=2011-01-02}}</ref>

=== Charm-Quark ===

Das Charm-Quark gehört zur 2. Familie der Quarks und ist damit Gegenstück des Strange-Quarks. Dem Charm-Quark entspricht die [[Charm (Physik)|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 Masse ist deutlich größer als die der drei leichten Quarks.

In [[Teilchendetektor]]en erkennt man Hadronen mit Charm-Quarks an ihrer relativ langen Lebensdauer von ungefähr 10<sup>−12</sup>&nbsp;Sekunden. Diese liegt darin begründet, dass die Charm-Quarks nur über die [[schwache Wechselwirkung]] in [[#Strange-Quark|Strange-Quarks]] oder [[#Down-Quark|Down-Quarks]] zerfallen können.

Das Charm-Quark ist beispielsweise Bestandteil der [[D-Meson]]en und des [[J/ψ-Meson]]s.

=== Strange-Quark ===

Nachdem man mit dem auf Up- und Down-Quark basierenden Quark-Modell den Aufbau einiger [[Baryon]]en wie z.&nbsp;B. des <math>\Sigma^+</math>, des <math>\Sigma^-</math> und des <math>\Sigma^0</math> nicht erklären konnte, führte [[Murray Gell-Mann|Gell-Mann]] ein neues Quark ein, um diese [[Teilchen (Physik)|Teilchen]] mit Hilfe des Quark-Modells erklären zu können. Dieses „seltsame“ Quark nannte er Strange-Quark.

Die Seltsamkeit (engl.: [[Strangeness]]) seines Teilchens ist entgegengesetzt gleich der Anzahl der enthaltenen Strange-Quarks. Ein einzelnes Strange-Quark hat demnach die Seltsamkeit&nbsp;−1.

Teilchen, die das Strange-Quark enthalten, heißen auch [[Seltsame Teilchen]] (engl. ''Strangelet'' bzw. ''strange matter''). Dazu gehören unter den Mesonen z.&nbsp;B. die [[Kaon]]en und die [[Phi-Meson|Phi-Resonanz]] sowie unter den Baryonen die [[Hyperon]]en.

=== 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&nbsp;·&nbsp;10<sup>−25</sup>&nbsp;Sekunden beträgt, kann es in der Natur keine hadronischen Bindungszustände bilden ([[Hadronisierung]] erfolgt erst nach ca. 10<sup>−23</sup>&nbsp;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 [[Meson]]en noch [[Baryon]]en, welche ein Top-Quark enthalten.

Eine weitere Besonderheit ist, dass es mit 173,3 ± 0,8<ref name="topmasse2014">Kollaborationen von ATLAS, CDF, CMS, D0: First combination of Tevatron and LHC measurements of the top-quark mass {{arXiv|1403.4427}}, Stand März 2014</ref> GeV/[[Lichtgeschwindigkeit|c]]² 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 [[Collider Detector at Fermilab|CDF]] am [[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 (auch ''Truth''), das Top-Quark hat T = +1.

=== Bottom-Quark ===

Das '''Bottom-Quark''' (auch '''Beauty-Quark''' genannt) bildet mit dem Top-Quark, dem [[Tauon]] und dem Tauon-[[Neutrino]] die dritte Teilchengeneration des [[Standardmodell]]s. 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-Meson]]en und des [[Υ-Meson]]s.

Die ihm zugeordnete [[Flavour]]-Quantenzahl ist die ''Bottomness'' B' (auch ''Beauty''), das Bottom-Quark hat B' = −1.

== Geschichte ==

Die Vorstellung von Quarks wurde Anfang der 1960er Jahre unabhängig voneinander durch André Petermann, Murray Gell-Mann und George Zweig entwickelt. Dieses Schema gruppierte die Teilchen mit bestimmtem [[Isospin]] und bestimmter [[Strangeness]] nach einer [[Unitäre Gruppe|unitären]] Symmetrie, die sich aus der [[Stromalgebra]]<!-- sic --> herleitete. Heutzutage ist diese globale [[Spezielle unitäre Gruppe|SU(3)]]-[[Flavour]]-Symmetrie (nicht zu verwechseln mit der [[Eichtheorie|Eichsymmetrie]] der [[Quantenchromodynamik|QCD]]) als Teil der näherungsweise gültigen ''[[Chiralität (Physik)|chiralen]] Symmetrie'' der [[Quantenchromodynamik|QCD]] bekannt.

In diesem Schema wurden die leichtesten [[Meson]]en (Spin&nbsp;0) und [[Baryon]]en (Spin&nbsp;1/2) in Oktetten der Flavour-Symmetrie gruppiert. Eine Klassifizierung der Spin-3/2-Baryonen bildet ein Dekuplett, was zur Vorhersage eines neuen Elementarteilchens, des [[Ω-Baryon|Ω<sup>−</sup>]], führte. Mit der Entdeckung des Ω<sup>−</sup> 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 ''[[Edler Achtfacher Pfad|Achtfachen Pfad]]'' des [[Buddhismus]] verbindet. Er prägte auch den Namen Quark, den er aus dem Satz „Three quarks for Muster Mark“ aus [[James Joyce]]’ Roman ''[[Finnegans Wake]]'' entnahm. Joyce hatte das Wort wiederum auf der Durchreise durch Deutschland in [[Freiburg im Breisgau|Freiburg]] gehört, als Marktfrauen auf einem Bauernmarkt ihre Milchprodukte anboten.<ref>[[Harald Fritzsch]]: ''Das absolut Unveränderliche. Die letzten Rätsel der Physik''. 2007, ISBN 978-3-492-24985-0, S. 99</ref>

Zunächst konnte die Existenz von Quarks experimentell nicht bestätigt werden.

Aus der Analyse bestimmter Eigenschaften bei hochenergetischen Reaktionen von [[Hadron]]en postulierte [[Richard Feynman]] 1969 eine Substruktur der Hadronen, die ''[[Parton (Physik)|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 für Physik]] 1990) nachgewiesen wurde, war klar, dass Partonen und Quarks das gleiche sein könnten. Mit dem Beweis der [[Asymptotische Freiheit|asymptotischen Freiheit]] der QCD im Jahr 1973 durch [[David Gross]], [[Frank Wilczek]] und [[David Politzer]] ([[Nobelpreis für Physik]] 2004)<ref name="Gross1973">{{Literatur |Autor=D. J. Gross, Frank Wilczek |Titel=Ultraviolet Behavior of Nonabelian Gauge Theories |Sammelwerk=Phys. Rev. Lett. |Band=30 |Datum=1973 |Seiten=1343–1346 |DOI=10.1103/PhysRevLett.30.1343}}</ref><ref name="Politzer1973">{{Literatur |Autor=H. David Politzer |Titel=Reliable Perturbative Results for Strong Interactions? |Sammelwerk=Phys. Rev. Lett. |Band=30 |Datum=1973 |Seiten=1346–1349 |DOI=10.1103/PhysRevLett.30.1346}}</ref> etablierte sich diese Vorstellung weiter.

Das Charm-Quark wurde 1970 von [[Sheldon Lee Glashow|Sheldon Glashow]], [[John Iliopoulos]] und [[Luciano Maiani]] postuliert ([[GIM-Mechanismus]]), um bis dahin unbeobachtete Flavour-Wechsel in Zerfällen durch die [[schwache Wechselwirkung]] (sogenannte „Flavour-ändernde neutrale Ströme“) zu verhindern; andernfalls würden solche Flavour-Wechsel im [[Standardmodell]] auftreten. Dies wurde 1974 mit der Entdeckung des [[J/ψ-Meson]]s, welches aus einem Charm-Quark und seinem Antiquark besteht, bestätigt.<ref name="Aubert1974">{{Literatur |Autor=E598 Collaboration (J. J. Aubert et al.) |Titel=Experimental Observation of a Heavy Particle J |Sammelwerk=Phys. Rev. Lett. |Band=33 |Datum=1974 |Seiten=1404–1406 |DOI=10.1103/PhysRevLett.33.1404}}</ref><ref name="Augustin1974">{{Literatur |Autor=SLAC-SP-017 Collaboration (J. E. Augustin et al.) |Titel=Discovery of a Narrow Resonance in e+ e- Annhilation |Sammelwerk=Phys. Ref. Lett. |Band=33 |Datum=1974 |Seiten=1406–1408 |Online=[http://www.slac.stanford.edu/pubs/slacpubs/1000/slac-pub-1504.html slac-pub-1504] |DOI=10.1103/PhysRevLett.33.1406}}</ref>

Die Existenz einer dritten Generation von Quarks wurde 1973 von [[Makoto Kobayashi (Physiker)|Makoto Kobayashi]] und [[Toshihide Masukawa|Toshihide Maskawa]] (Nobelpreis für Physik 2008) vorhergesagt. Sie stellten fest, dass die [[CP-Verletzung]] durch neutrale [[Kaon]]en nicht mit dem Standardmodell mit zwei Quark-Generationen erklärbar ist.<ref name="Kobayashi1973">{{Literatur |Autor=Makoto Kobayashi, Toshihide Maskawa |Titel=CP Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction |Sammelwerk=Prog. Theor. Phys. |Band=49 |Nummer=2 |Datum=1973 |Seiten=652–657 |DOI=10.1143/PTP.49.652}}</ref> Das Bottom-Quark und das Top-Quark wurden 1977 und 1995 am Fermilab entdeckt.<ref name="Abe1995">{{Literatur |Autor=CDF Collaboration (F. Abe et al.) |Titel=Observation of Top Quark Production in {{Oberstrich | p}} p Collisions |Sammelwerk=Phys. Rev. Lett. |Band=74 |Datum=1995 |Seiten=2626–2631 |arxiv=hep-ex/9503002 |DOI=10.1103/PhysRevLett.74.2626}}</ref>

== Aktuelle Forschungsschwerpunkte ==

=== Die Masse des Top-Quarks ===

Einer Zusammenarbeit von Wissenschaftlern am [[Fermi National Accelerator Laboratory|Fermilab]] (Illinois/USA) gelang es erst 2004, die Masse des Top-Quarks mit guter Genauigkeit zu bestimmen und damit eine bessere Vorhersage der Masse des vom Standardmodell vorhergesagten, aber bis dahin noch unentdeckten [[Higgs-Boson]]s zu ermöglichen.

Quarks lassen sich üblicherweise experimentell nicht einzeln beobachten: Sie treten immer in Kombinationen von mehreren Quarks auf (siehe unten) und sind nur indirekt anhand bestimmter Umwandlungen nachweisbar. Das top-Quark ist eine Ausnahme, da es zerfällt bevor es Hadronen formen könnte. Erst im Jahr 1995 konnten zwei Arbeitsgruppen am Fermilab 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<sup>−24</sup> Sekunden in [[W-Boson]]en und leichtere Quarks, wobei letztere nahezu immer [[#Bottom-Quark|Bottom-Quarks]] sind.<ref name="PDG">K.A. Olive et al. (Particle Data Group): [http://pdg.lbl.gov/2014/tables/rpp2014-sum-quarks.pdf pdg.lbl.gov] (PDF) 2014.</ref> Erst diese binden dann andere Quarks an sich, ein Vorgang, der sich [[Hadronisierung]] nennt. Daraus resultieren [[Teilchenjet|Jets]]. Die Masse des Top-Quarks lässt sich durch eine genaue Analyse der Energie- und Impulsbilanz dieser Zerfälle bestimmen. Die Auswertung solcher komplexen Ereignisse ergab am [[Collider Detector at Fermilab|CDF-Experiment]] und [[DØ|DØ-Experiment]] (sprich ''D-Zero'') 1995 eine hohe Masse von mehr als 170&nbsp;GeV/c²,<ref name="CDF-1995">{{Literatur |Autor=F. Abe et al. ([[CDF Collaboration]]) |Titel=Observation of Top Quark Production in Antiproton Proton Collisions with the Collider Detector at Fermilab |Sammelwerk=[[Physical Review Letters]] |Band=Vol. 74 |Nummer=14 |Datum=1995 |Seiten=2626–2631 |Sprache=en |DOI=10.1103/PhysRevLett.74.2626 |PMID=10057978 |bibcode=1995PhRvL..74.2626A}}</ref>
<ref name="D0-1995">{{Literatur |Autor=S. Abachi et al. ([[DØ Collaboration]]) |Titel=Search for High Mass Top Quark Production in Proton Antiproton Collisions at ''s''&nbsp;=&nbsp;1.8&nbsp;TeV |Sammelwerk=[[Physical Review Letters]] |Band=Vol. 74 |Nummer=13 |Datum=1995 |Seiten=2422–2426 |Sprache=en |DOI=10.1103/PhysRevLett.74.2422 |bibcode=1995PhRvL..74.2422A}}</ref> wesentlich schwerer als die anderen Quarks; die Messunsicherheit betrug zum damaligen Zeitpunkt allerdings 10 %. Spätere Messungen erreichten eine Unsicherheit von unter 0,5 %.<ref name="topmasse2014" /><ref name="CMS top16">CMS-Kollaboration: ''Measurement of the top quark mass using proton-proton data at sqrt(s) = 7 and 8 TeV'', {{arXiv|1509.04044}}</ref><ref name="ATLAS top16">ATLAS-Kollaboration: ''Measurement of the top quark mass in the <math>t\bar t</math> → dilepton channel from √s=8 TeV ATLAS data'', {{arXiv|1606.02179}}</ref>

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 Aussagen über die Masse des [[Higgs-Boson]]s gewinnen und mit der direkten Messung der Higgs-Masse vergleichen. Dieses Teilchen, das 1964 von dem englischen Physiker [[Peter Higgs]] vorausgesagt wurde, wechselwirkt mit anderen Elementarteilchen und verleiht ihnen dadurch ihre Masse. Es vervollständigt das [[Standardmodell]]. Der Wert für die Masse dieses Higgs-Teilchens konnte von den beiden am LHC befindlichen Experimenten ATLAS und CMS bestimmt werden und beträgt etwa 125&nbsp;GeV/c².

Die große 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 möglichen 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 zum Top-Quark kommen daher vor allem vom Large Hadron Collider ([[Large Hadron Collider|LHC]]) am [[CERN]], der Anfang September 2008 in Betrieb genommen wurde. Dort werden zwei Protonenstrahlen mit einer Energie bis zu 6,5&nbsp;TeV pro Proton zur Kollision gebracht.
<!-- Problem mit den verschiedenen Massendefinition fehlt komplett? MSbar, MC, pole mass -->

=== Confinement ===
{{Hauptartikel|Confinement}}

Die theoretische Erklärung des Confinement-Problems ist eine der großen Herausforderungen der theoretischen Teilchenphysik. Es wurden verschiedene Modelle entwickelt, die in den letzten Jahren theoretisch untersucht wurden. Eine Möglichkeit ist die Bildung eines Gluonkondensates, welches dann nicht-triviale topologische Objekte enthalten kann (chromo-magnetische Monopole, Center-Vortices, Dyonen), eine andere Idee ist Confinement durch Instantonen, also Tunnelprozesse zu erklären. In den letzten Jahren wurden auch einzelne [[Greensche Funktion|Greens-Funktionen]] der QCD mit verschiedenen Methoden untersucht. Von besonderem Interesse ist hier der [[Propagator|Gluonpropagator]], für dessen Verhalten im Infrarotbereich unterschiedliche Methoden unterschiedliche Ergebnisse liefern.<ref>{{Literatur |Autor=C. Fischer, A. Maas, J. Pawlowski |Titel=On the Infrared Behavior of Landau Gauge Yang–Mills Theory |Sammelwerk=Annals of Physics |Band=324 |Nummer=Issue 11 |Datum=2009-11 |Seiten=2408–2437 |Sprache=en-US |DOI=10.1016/j.aop.2009.07.009}}</ref> Dieses Problem wurde und wird stark diskutiert und ist aktuell ({{Datum||1|2011}}) noch nicht vollständig gelöst. Aus dem Infrarotverhalten des Gluonpropagators ergeben sich Hinweise auf die Gültigkeit verschiedener Confinementszenarien.

=== QCD-Phasendiagramm ===

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt der letzten Jahre, auf theoretischer Ebene, ist das Verhalten von Quarks bei endlichen Temperaturen und Dichten. Man weiß aus Experimenten, dass sich bei extrem hohen Dichten eine neue Phase einstellt, das [[Quark-Gluon-Plasma]]. Die theoretische Beschreibung dieses Zustandes und die Beschreibung des Phasenüberganges ist von hohem theoretischen Interesse. Zum einen sind die Quarks quasi-frei, die Confinement-Hypothese gilt also nicht mehr und man spricht von einem Confinement-Deconfinement-Übergang. Auch wird bei hohen Temperaturen und Dichten die [[chirale Symmetrie]] wieder hergestellt (bis auf die explizite Brechung durch die [[Stromquarkmasse]]n). Ein Zusammenhang dieser beiden Phasenübergänge gilt als sehr wahrscheinlich und die Übergangstemperaturen für beide Übergänge stimmen anscheinend überein. Wie genau der Zusammenhang gegeben ist, von welcher Ordnung der Phasenübergang ist und ob nicht doch unter Umständen in gewissen Bereichen die Übergangstemperaturen unterschiedlich sein können, wie von einigen Forschern vorhergesagt, ist aber noch nicht endgültig gelöst und wird wohl erst durch experimentelle Messung beantwortet werden können.

{{Siehe auch|Quantenchromodynamik}}

== Literatur ==

* Harald Fritzsch: ''Quarks – Urstoff unserer Welt.'' Piper, München 2006, ISBN 978-3-492-24624-8.
* Hans G. Dosch: ''Jenseits der Nanowelt – Leptonen, Quarks und Eichbosonen.'' Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-22889-6.
* [[Maurice Jacob]]: ''The quark structure of matter.'' World Scientific, Singapore 1992, ISBN 981-02-0962-2.
* David Blaschke: ''Heavy quark physics.'' Springer, Berlin 2004, ISBN 978-3-540-21921-7.

== Weblinks ==

{{Commons|Quark}}
* {{Alpha Centauri|153}}
* [[Harald Fritzsch]]: [http://online.itp.ucsb.edu/online/colloq/fritzsch1/ ''The Problem of Mass for Quarks and Leptons''] – Vortrag am 22. März 2000 im [[Kavli Institute for Theoretical Physics]] (Vortragsunterlagen / Audioaufzeichnung; englisch)
* [http://www.particleadventure.org/ ''The Particle Adventure''.] (Gute Einführung in die Welt der Quarks)
* [http://www.solstice.de/grundl_d_tph/sm_et/sm_et_qua1.html ''Die „Geburt“ der Quarks''.] Uni Erlangen (Grundlagen der Teilchenphysik, gut erklärt)
* [http://www.drillingsraum.de/room-quarks/quarks.html Was sind Quarks?]
* [http://kworkquark.desy.de/fragenundantworten/faq.aussprache-quark/1/index.html ''Wie spricht man „Quark“ richtig aus?'']
* [http://pdglive.lbl.gov/ Particle Data Group]

== Einzelnachweise und Fußnoten ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4048005-7}}

[[Kategorie:Elementarteilchen]]
[[Kategorie:Kernphysik]]
[[Kategorie:Fermion]]