Quarks bilden die gesamte Materie, wurden aber selbst noch nie gesehen. Und sie haben „Aromen“ und „Farben“ – obwohl keiner der beiden Begriffe irgendeine Bedeutung für das hat, was sie eigentlich tun. Werfen wir einen Blick darauf, warum wir Quarks brauchen, um die Welt zu verstehen, und was ihre „Farben“ und „Flavors“ eigentlich bedeuten.

Für viele Menschen stellt sich die Frage, warum wir Quarks überhaupt brauchen. Diese Frage taucht oft auf, vor allem wenn man erfährt, dass Quarks nicht voneinander getrennt werden können und wir deshalb noch nie ein einzelnes gesehen haben. Sind Elementarteilchen wie Protonen und Neutronen nicht genug? Warum müssen wir sie noch weiter aufspalten, um das Universum zu verstehen?

Die Poesie des Quarks

Die ersten Probleme mit den sogenannten „fundamentalen“ Teilchen tauchten in den 1960er Jahren auf, als Wissenschaftler Elektronen auf Materie schossen und sahen, wie sie scheinbar grundlos in verschiedene Richtungen flogen. Als die Wissenschaftler sahen, wie und wann die Elektronen ihre Richtung änderten, kamen sie zu dem Schluss, dass der Kern aus kleineren Teilen bestehen musste, in die die Elektronen „hineinliefen“. Diese Teile waren kleiner als die Protonen, von denen die Wissenschaftler wussten, dass sie in Atomkernen vorkommen. Die Teile, so erkannten sie, mussten sich im Inneren der Protonen selbst befinden.

Dies waren gute Nachrichten für Wissenschaftler, die versucht hatten, das zu vereinfachen, was als „Zoo“ von Teilchen bekannt geworden war. Zu Beginn des Jahrzehnts spekulierten zwei verschiedene Physiker, George Zweig und Murray Gell-Man, erstmals darüber, dass die Teilchen nicht elementar sind, sondern aus verschiedenen Teilchen bestehen, die entweder ein Drittel oder zwei Drittel der Ladung eines der beiden Teilchen tragen. Beide kamen auf die Idee von drei sehr grundlegenden Elementarteilchen, aus denen viele der Teilchen bestehen, die sich in der Physik so stark verbreitet haben. Zweig nannte die Teilchen „Asse“. Gell-Man nannte sie “Quarks“, nach einer Lektüre von James Joyces Finnegans Wake und dem Nonsens-Gedicht “Drei Quarks für das Musterzeichen.“

Diese neue Theorie funktionierte sehr gut bei der Erklärung von Ladung, Spin und Masse. Sie half, die vielen verschiedenen subatomaren Teilchen in einen Zusammenhang zu bringen. Statt einer verwirrenden Anzahl von Elementarteilchen mit unterschiedlichen Eigenschaften gab es nur noch drei, deren Kombination die Vielfalt der Teilchen ausmachte, die die Wissenschaftler entdeckt hatten. Es war ein wenig wie die Erkenntnis, dass die vielen Stoffe in der Welt als Kombinationen aus einer relativ geringen Anzahl von Atomen verstanden werden können. Zwei verschiedene Kombinationen von Quarks könnten ein Proton oder ein Neutron bilden, genauso wie zwei verschiedene Kombinationen von Wasserstoff- und Sauerstoffatomen ein Wasser oder eine Säure bilden könnten. Das einzige Problem war, dass niemand Beweise für die Existenz von Quarks hatte – bis etwas im Inneren der Protonen anfing, die Elektronen in zufällige Richtungen zu schicken. Als die Elektronen streuten, wurde die scheinbar überflüssige Theorie bestätigt.

In den nächsten Jahrzehnten wurden dem vereinfachten System weitere Quarks hinzugefügt, so dass die Zahl der Quarks auf sechs anstieg. Man fand heraus, warum man keine Quarks allein gefunden hatte. Die Kraft, die sie in Paaren oder Dreiergruppen zusammenhält, wird immer stärker, je weiter sie sich voneinander entfernen, wie ein Gummiband. Nur Ereignisse mit unglaublich hoher Energie können sie auch nur für kurze Zeit voneinander trennen. Quarks können auch ihren „Geschmack“ ändern. Zwar hat bis heute noch niemand ein Quark allein „gesehen“, aber die experimentellen Ergebnisse und die beobachteten Eigenschaften der Teilchen stimmen so perfekt mit der Theorie ihrer Existenz überein und passen zu keiner anderen Theorie, dass die Wissenschaftler zufrieden sind, dass sie existieren. Sie erklären zu viele Dinge zu gut, als dass sie nicht irgendwo da drin sein könnten.

Die Farben und die Geschmacksrichtungen

Der Name „Quark“ stammt aus einem Nonsens-Gedicht, was ja auch stimmt – aber ein kurzer Blick auf eine Zusammenfassung ihrer Eigenschaften zeigt, dass der Nonsens nicht beim Namen endet. Es gibt sie in „Geschmacksrichtungen“, was, da man sie nicht schmecken kann, nichts bedeutet. Sie haben Farben, und ihre Erforschung wird Quantenchromodynamik genannt, aber es ist klar, dass sie keine Farbe haben, die wir tatsächlich sehen können. Was sind das für seltsame Eigenschaften, und warum müssen sie nach Eigenschaften benannt werden, die sie nicht haben?

Wie schon gesagt, kommen Quarks nicht allein vor. Sie wandern in Paaren, und bestimmte Paare tun sich immer zusammen. Die Paare sind wie folgt: up und down, charm und strange, top und bottom. Das erste Quark in jedem dieser Paare hat eine Ladung von zwei Dritteln einer Protonenladungseinheit. Das zweite Quark in jedem Paar hat eine Ladung von einem negativen Drittel. In der ursprünglichen Theorie addieren sich zwei up-Quarks und ein down-Quark zu einer positiven Ladung – oder zu einem Proton. Zwei down-Quarks und ein up-Quark haben Ladungen, die sich zu Null addieren und Neutronen ergeben. Aber wenn drei Quarks eine positive Zwei-Drittel-Ladung und drei Quarks eine negative Ein-Drittel-Ladung haben, warum gibt es dann nicht insgesamt nur zwei Quarks? Worin besteht der Unterschied? Jedes der Quarks hat nur eine leicht unterschiedliche Masse. Aus diesem Grund hat man bei der Untersuchung von Protonen und Neutronen festgestellt, dass sie leicht unterschiedliche Massen haben. Die unterschiedliche Kombination von Quarks gab ihnen eine unterschiedliche Masse. Diese Kombination aus Ladung und Masse sowie einige weitere esoterische Eigenschaften machen den „Flavor“ jedes Quarks aus. Warum man sie nicht einfach als “Typen“ bezeichnen kann, sollten wir vielleicht James Joyce fragen.

Farben sind eine andere Variante der Quarks. Sie sind eine Kombination aus theoretischer Notwendigkeit und experimentellen Beweisen. Quarks sind auf engstem Raum zusammengedrängt, und das Pauli-Ausschlussprinzip besagt, dass keine zwei Teilchen zur gleichen Zeit im gleichen Zustand existieren können. Zwei up-Quarks sollten nicht im selben Proton sitzen können. Irgendetwas musste also anders sein. Das sind die „Farben“ der Quarks. Blaue, rote und grüne Quarks gibt es in jedem Flavor. Sie schließen sich zu farblosen Teilchen zusammen – analog zu der Art und Weise, wie viele verschiedenfarbige Lichter sich zu einem farblosen weißen Licht zusammenfügen. Dies hätte man vielleicht für einen Spielerei-Faktor in der Physik halten können, aber experimentelle Kollisionen von Elektronen und Antiprotonen haben gezeigt, dass es dreimal so viele Arten von Quarks gibt, als es allein aufgrund der “Flavors“ der Fall wäre.

Letztendlich sind Quarks deshalb so geheimnisvoll, weil ihre Eigenschaften nichts mit dem zu tun haben, was wir in der Makrowelt erleben, und sie dennoch nach Eigenschaften benannt sind, mit denen wir bestens vertraut sind. Es ist verwirrend, zwischen einer Farbe, wie wir sie sehen, und einer Farbe, wie sie von mathematischen und experimentellen Ergebnissen diktiert wird, zu vermitteln. Der beste Weg, Quarks zu verstehen, besteht darin, zu begreifen, dass sie nicht exotisch sind, sondern dazu dienen, die ausgedehnte subatomare Welt zu organisieren und zu vereinfachen. Sie sind eine Art Periodensystem der Elemente – für die Elemente. Werden die Wissenschaftler etwas Kleineres finden? Wer weiß das schon, aber wenn sie es finden, hoffen wir, dass sie es nach etwas aus Jabberwocky benennen. Ich würde gerne eine Physikvorlesung über „mome raths“ sehen.

Bild oben: Yarnalgo
Teilbild: Io9
Table of Quarks: MissMJ

Zwei Mal NASA, drei Mal Hyperphysics, Particle Adventure, und Duke.