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Lexikon Physik

Quarks

Quarks (sprich „Kworks“, nach einem Gedicht von James Joyce) bilden neben den Leptonen die elementaren Bestandteile aller Materie im Weltall, die nach heutigem Wissen keine weitere innere Struktur aufweisen. Quarks besitzen eine elektrische Ladung von \(\pm 1/3\) oder \(\pm 2/3\) und eine Farbladung. Ihr Spin beträgt 1/2, sie sind also Fermionen und unterliegen daher dem Pauli-Prinzip.

Wie die Leptonen bilden auch die Quarks drei Generationen (Familien) mit zunehmenden Ruhemasse-Werten und abnehmender Lebensdauer. Zur ersten Generation gehören Up- und Down-Quark (u, d), diese Quarks sind stabil, die übrigen zerfallen sehr schnell. Zur zweiten Generation zählen Charm- und Strange-Quark (c, s) und zur dritten Top- und Bottom-Quark (t, b).

Die jeweiligen Antiteilchen (Antiquarks) bezeichnet man mit einem Querstrich über dem Symbol, z. B. ist \(\bar{\text u}\) das Antiup-Quark. 

Quarks treten niemals frei auf, sondern immer in gebundenen Zuständen aus zwei Quarks (Mesonen, jeweils ein Quark und ein Antiquark) oder aus drei Quarks (Baryonen, jedes Quark trägt eine andere Farbladung). Vor kurzem wurden auch extrem kurzlebige 4-Quark- und 5-Quark-Teilchen beobachtet, auch diese sind aber immer farbneutral. Von allen physikalisch möglichen Quarkkombinationen ist das einzige stabile aus Quark zusammengesetzte Teilchen das leichteste Baryon, also das Proton. Neutronen sind im Atomkern stabil, außerhalb jedoch nicht.

Übrigens: So schwierig die Untersuchung und mathematische Beschreibung der Quarks mit ihren verschiedenen Farbladungen auch sein mag, dass sie eine von drei Farbladungen tragen müssen, ist ganz leicht einzusehen: Es gibt ein Baryon, dass aus drei Up-Quarks mit parallelem Spin besteht. Nach dem Pauli-Prinzip darf es so etwas – drei Fermionen, bei denen alle Quantenzahlen gleich sind – aber nicht geben. Daher muss es eine weitere Größe geben, in der sich die drei Quarks unterscheiden, dies ist die Farbladung.

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