Der Aufbau unserer Materie

Unsere Welt besteht aus allerlei Teilchen. Genaugenommen haben wir heute schon so viele Elementarteilchen gefunden, dass man bereits von einem ganzen Teilchenzoo sprechen kann. Atome sind nicht die kleinsten Elementarteilchen, das wissen wir schon lange, sie bestehen aus Neutronen, Protonen und Elektronen. Aber sind das denn nun die letzten, unteilbaren Teilchen? Oder... gibt es überhaupt ein solches letztes Teilchen? Um ein bisschen Ordnung in diesen Teilchenwirrwarr zu bringen, schauen wir jetzt mal auf eine ganz wichtige Teilchenfamilie: Die Quarks.

Was sind Quarks?

Quarks sind Grundbausteine unserer Materie. Vielleicht sind es nicht die grundlegensten, aber sie sind grundlegender als alle anderen Teilchen die wir kennen bzw. bis jetzt gefunden haben. Atome bestehen unter anderem aus Protonen und Neutronen. Diese sind jedoch wiederum aus noch kleineren Teilchen aufgebaut: Eben den Quarks. Insgesamt gibt es 12 unterschiedliche Quarks, 6 reguläre und 6 Antiquarks. Was die genau tun sehen wir etwas weiter unten. Erstaunlich ist zuerst mal, dass unsere komplette, uns umgebende Materie sich aus lediglich 3 verschiedenen Teilchen zusammensetzt: Es sind die Up-Quarks, Down-Quarks und die Elektronen (die sich übrigens nicht aus Quarks zusammensetzen, sondern eine eigenständige Teilchengruppe darstellen).

 
Wir kennen heute 6 Quarks und 6 Antiquarks, die sich in 3 Familien aufteilen. Warum es gerade 3 sind, ist eine der größten Fragen der heutigen Physik.

Was tun die Quarks?

Kurze Antwort: Eigentlich gar nichts. Sie sind einfach nur die nächst kleineren Bausteine nach den Neutronen und Protonen. Das gilt aber nur bei der gewöhnlichen Materie, also der, aus der wir aufgebaut sind. Bei Hochenergieexperimenten tun die Quarks sehr wohl was: sie verwandeln sich, zerfallen, bilden neue, teils unbekannte Teilchen. Aber zurück zur heilen Welt: Ein Elektron ist negativ geladen, ein Proton positiv. Wie sieht es bei den Quarks aus? Auch sie haben eine elektrische Ladung, aber kurioserweise keine ganzzahlige: Das Up-Quark trägt die Ladung +2/3, das Down-Quark -1/3. Bringt man nun beispielsweise zwei Down-Quarks und ein Up-Quark zusammen, hat das so entstandene 3er Gebilde nach außen hin keine elektrische Ladung mehr, da sich die einzelnen Ladungswerte genau aufheben. Und schon haben wir das Neutron gefunden, es ist nämlich aus genau diesen 3 Quarks aufgebaut und trägt bekanntermaßen keine elektrische Ladung.

 
Protonen und Neutronen sind keine elementaren Teilchen, sie setzen sich aus Quarks zusammen: Ein Up- und zwei Down-Quarks bilden das Neutron, zwei Up- und ein Down-Quark das Proton.

Die Farbladung der Quarks

Quarks tragen neben ihrer elektrischen auch noch eine sogenannte „Farbladung“. Damit lässt sich u.a. anschaulich erklären, welche Zusammenschlüsse aus Quarks möglich sind. Denn Quarks kommen nie einzeln, also als freie, umherschwirrende Teilchen vor (zumindest hat man das noch nie beobachtet). Sie sind immer in Paketen von zwei, drei oder noch mehr Quarks zusammengepackt, wie wir eben schon beim Neutron und Proton gesehen haben. Die Quarks können 3 verschiedene Werte bezüglich der Farbladung annehmen: Rot, Grün und Blau. Strahlt man diese Farben mit 3 Scheinwerfen so an die Wand, dass sie sich überlagern, entsteht weiß. Auch bei den Quarks spielt dieses „weiß“ eine große Rolle: Es sind nur solche Quarkkombinationen stabil, deren Farbladungen sich zu „weiß“ addieren.

 
Quarks tragen eine sogenannte "Farbladung", die die Werte rot, grün und blau annehmen kann. Verbindungen aus einzelnen Quarks sind nur stabil, wenn die Überlagerung ihrer einzelnen Farbwerte "weiß" ergibt.

Eine seltsame, aber charmante Sippschaft

Es gibt 6 reguläre Quarks, und je zwei von ihnen gehören zu einer eigenen Familie: Wir dürfen vorstellen: Up und Down, Strange und Charm, und schließlich noch Top und Bottom. Die Familien unterscheiden sich nur in einer einzigen Eigenschaft: Ihrer Masse. So ist die Up-Down Familie die leichteste, und der Top-Bottom Clan der pfundigste in der Verwandschaft. Den einzelnen Familien gehören übrigens noch weitere Teilchen an, es fehlen z.B. noch die Antiquarks, Elektronen, Myonen, Tauonen, und verschiedene Neutrinos samt Antiteilchen. Da die meisten von ihnen aber recht selten bei ihrer Sippe zu Besuch sind, interessieren sie hier nicht weiter. Viel entscheidender ist die Frage, warum sich die uns bekannten Elementarteilchen gerade in drei, und nicht etwa in fünf, 814 oder nur einer Familie zusammenfinden. Wer das rausfindet, löst eine bedeutende Frage der heutigen Physik.

 
Die Elementarteilchen unterteilen sich in 3 Familien. Alles, was sie unterscheidet, ist ihre Masse. Dafür ist dieser eine Unterschied aber gewaltig.

Sind Quarks die kleinsten Teilchen?

Im Laufe der Zeit haben wir immer grundlegendere Bausteine unserer Materie gefunden. Zuerst waren es die Atome, dann entdeckte man die Neutronen, Protonen und Elektronen. Heute sind wir bei den Quarks angelangt. Wird es je ein Ende geben? Es gibt eine Theorie, die behauptet: Ja! Die sogenannte Stringtheorie behaupet, dass die kleinst möglichen, physikalisch beschreibbaren Objekte ungeheuer winzige, schwingende Enerergiefädchen sind. Jeder dieser Strings stellt, je nach Schwingverhalten, ein Materieteilchen dar. So ist ein Elektron beispielsweise nichts anderes als einer von diesen schwingenden Strings. Die Stringtheorie ist praktisch aber sehr schwer zu beweisen, da sich ihre „Mechanik“ auf Größenordnungen abspielt, die so klein sind, dass wir sie mit unseren technischen Geräten wohl nie erreichen werden. Zumindest nicht vollständig: Bestimmte Bereiche der Stringtheorie sollen mit dem Genfer Teilchenbeschleuniger LHC (Inbetriebnahme Sommer 2008) überprüft werden können.

 
Im Laufe der Zeit wurden immer kleinere "Grundbausteine" unserer Materie entdeckt. Welche Teilchen aber das endgültige Ende darstellen, wissen wir heute noch nicht. Vielleicht sind es die Strings, die genaugenommen gar keine Teilchen, sondern schwingende Energiefädchen sind.
 
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