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Die
Quarks im Standard-Modell -
Quark-Kombinationen
und Farbladung
Anfang
der 60er Jahre hatte Gell-Mann ein Baryonen-
Dekuplett aufgestellt, von dem bereits 9 der 10 Baryonen gefunden waren. Für das 10. mit
Strangeness
S = -3 fehlte noch der experimentelle Nachweis. Aufgrund
der theoretischen Voraussagen von Gell-Mann wurde
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das fehlende 10. Baryon
1964 gefunden und als
W
- bezeichnet. Im Quarkmodell wurde deutlich,
dass es sich beim
W
- um das Baryon handelt, das die Quarkzusammensetzung
sss besitzt.
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Hier tauchte aber ein Problem auf, das von
Oscar W. Greenburg von der Universität Maryland sehr elegant gelöst werden konnte, auch wenn sich die Lösung zuerst nicht so recht durchsetzte.
Das Problem war, dass die drei s-Quarks als Fermionen dem
Pauli-Prinzip
unterliegen. Leider stimmten sie aber
in allen Quantenzahlen überein, so dass sie diese Regel zu verletzen schienen. Die Lösung für
dieses Dilemma scheint
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auf den ersten Blick sehr willkürlich zu sein,
sie hat sich aber als goldrichtig erwiesen.
Die
Teilchenphysiker führten einfach
eine zusätzliche Quantenzahl
für Quarks, die sogenannte
Farbladung ein. Die Farbladung ist die "Ladung" der starken Kraft, genauso wie die
elektrische Ladung die der elektromagnetischen Kraft ist.
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Man unterscheidet drei Farbladungen - meist einfach Farben genannt - rot, grün, blau und drei Antifarben, antirot, antigrün
und antiblau.
Jedes
Quark trägt eine Farbe:
rot
,
grün
oder
blau
(r, g, b).
Jedes Antiquark
hat eine Antifarbe:
antirot (
cyan
),
antigrün (
magenta
) oder antiblau (
gelb
), kurz
(
r
,
g
,
b
).
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Quark
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Antiquark
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rot
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cyan
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grün
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magenta
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blau
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gelb
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Man erkennt beim Zusammensetzen der Quarks zu Baryonen und Mesonen, dass die Wahl der Farben - man hätte ja auch einfach Zahlen zur Unterscheidung nehmen können - ihren Sinn hat. Mischt man in der Realität eine Farbe
mit ihrer Komplementärfarbe (hier Antifarbe
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genannt), so erhält
man
weiß
. Genauso ist die Kombination der drei verschiedenen Farben und der drei verschiedenen Antifarben auch
weiß
. In Experimenten hat man
folgende
fundamentale Eigenschaft von Quarkzusammensetzungen
gefunden:
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Alle möglichen Quarkkombinationen (die Hadronen)
sind weiß.
Diese
Eigenschaft erklärt auch, warum es nur die Quark-Kombinationen
Meson
und
Baryon und nicht z.B. eine Kombination aus zwei Quarks und einem Antiquark gibt. Soll nämlich die Quark-Kombination nach außen hin weiß sein, so gibt es nur die Möglichkeit Farbe/Antifarbe oder drei Farben oder drei Antifarben
zusammenzufügen. Dazu zwei
Beispiele:
p
-Meson (u
d
):
rot
+
cyan
=
weiß
oder
grün
+
magenta
=
weiß
oder
blau
+
gelb
=
weiß
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W
- -Baryon
(sss):
rot
+
grün
+
blau
=
weiß
Das
p
-Meson kann also
in drei Farbladungszuständen vorkommen, das
W
- -Baryon
nur in einem.
Nach "außen" sind sie aber immer
farbneutral
bzw.
weiß
Baryonen aus drei Quarks können
in 3
.
2
. 1 = 6 verschiedenen Farbladungszuständen
vorkommen.
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Messungen haben gezeigt, dass das Quark-Antiquark-Paar eines Mesons
ständig
die Farben wechselt
.
In einem messbaren Zeitraum ist ein enthaltenes
Quark gleich oft rot, grün oder blau
(siehe Abb. rechts).
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Dabei kann ein Quark nicht einfach seine Farbe wechseln, sondern es muss sie
abgeben und die neue Farbe aufnehmen.
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Die Aufgabe des "
Farbladungs- transports
"
übernehmen die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung, die
Gluonen
. Die Gluonen tragen selbst Farbladungen. Sie tragen eine Farbe und eine beliebige Antifarbe. Dadurch, dass sie selbst Farbe tragen, nehmen sie auch selbst
an der starken Wechselwirkung teil! Das ist ein
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entscheidender
Unterschied
z.B. zur elektromagnetischen Wechselwirkung. Deren Austauschteilchen, das Photon, ist elektrisch ungeladen. Es spürt daher nichts von der elektomagnetischen Wechselwirkung. Auch können
Photonen untereinander nicht direkt wechselwirken!
Gluonen
können miteinander stark wechselwirken!
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Hinweis
:
Die starke Wechsel- wirkung wird nur durch
8 Gluonen (nicht 9!) vermittelt. |
Wir
fassen kurz zusammen:
Quarks tragen eine Farbladung (kurz: Farbe), Antiquarks tragen Antifarbe.
Es gibt drei Farben und drei Antifarben.
Bei der starken Wechselwirkung tauscht das Gluon, das selbst eine Farbe
und eine Antifarbe
trägt, die Farben aus.
Alle Hadronen sind "weiß".
Die letzten Seiten enthielten eine Menge neuer Begriffe und Zusammenhänge, so
dass wir mit folgendem Quiz
 unser Wissen überprüfen sollten.
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