Astro-Lexikon Q 3

Q
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Unter diesem Begriff versteht man den Vakuumzustand der Quantenphysik, den Zustand niedrigster Energie. Diese Nullpunktsenergie ist immer größer als null, d.h. selbst wenn sich makroskopisch in einem physikalischen System 'scheinbar nichts tut', so ist es mikroskopisch 'immer in Bewegung'. Somit hat die Quantentheorie das Bild von der Natur auch hinsichtlich des Vakuums revolutioniert.

Nichts

Etwas weltlicher formuliert verbirgt sich hinter dem Quantenvakuum das Nichts. Die Quantentheorie entlarvt das Nichts als ein komplexes, strukturreiches Gebilde. Es stellt sich heraus, dass es prinzipiell unmöglich ist, einen Raumbereich völlig von Teilchen zu entleeren. Das widerspricht selbstverständlich jeder klassischen Denkweise - ist jedoch quantenphysikalisch richtig und erklärbar. In (nicht nur) diesem Aspekt bietet die Quantenphysik interessante Anknüpfungspunkte für eine philosophische Debatte.

Lösen der Bewegungsgleichung

Der genaue Zahlenwert für den niedrigsten Energiezustand (Grundzustand) hängt vom betrachteten Quantensystem ab. Die möglichen Zustände eines Quantensystems werden durch Wellenfunktionen dargestellt, die üblicherweise mit dem griechischen Buchstaben Ψ (Psi) symbolisiert werden. Die Physiker erhalten die Wellenfunktionen durch Lösung der Bewegungsgleichung des Systems. Dies kann eine Schrödinger-Gleichung, eine Klein-Gordon-Gleichung, eine Soliton-Gleichung oder eine andere Differentialgleichung sein. Die Wellenfunktionen konstituieren dann das Spektrum des betrachteten Problems, das in Vakuumzustände und angeregte Zustände eingeteilt wird. Die Vakuumzustände sind Zustände niedrigster Energie und besonders stabil.

Observable & Vakuumerwartungswert

In der Quantentheorie gibt es eine Zuordnung zwischen dem Messwert (Observable), und dem Erwartungswert. Sie sind wohl definiert und führen auf den hier zentral zu diskutierenden Vakuumerwartungswert.

Beispiel: der harmonische Oszillator

Der harmonische Oszillator der Quantenmechanik ist ein einfaches Modellsystem, das diese Eigenschaft zeigt: die Eigenwerte des Hamilton-Operators, der die Energie im System beschreibt, verrät die möglichen energetischen Zustände des Systems. Sie sind quantisiert, d.h. es können nur diskrete Werte (Energiestufen) angenommen werden und nicht beliebige Werte eines Kontinuums. Der energetisch tiefstmögliche Zustand besitzt eine von null verschiedene Energie, die gerade 0.5 × h/(2π) × ω ist (h: Plancksches Wirkungsquantum, ω: Kreisfrequenz). Der harmonische Oszillator vollführt dann eine Nullpunktsschwingung.
Die Eigenfunktionen des Hamilton-Operators charakterisieren gerade die Eigenzustände des Systems, die Wellenfunktionen. Im Bild der Quantisierung vermitteln zwischen den unterschiedlichen, diskreten Energieniveaus die Erzeuger- und Vernichteroperatoren. Sie erzeugen oder vernichten beim harmonischen Oszillator ein Schwingungsquant (bosonisches Vibron), wenn man von einem Energieniveau zum nächsten wechselt. Dies ähnelt den Sprossen einer Leiter, die man auf- oder hinuntersteigt, weshalb man Erzeuger und Vernichter auch salopp 'Leiteroperatoren' nennt.

Vakuumfluktuationen

Gemäß der Heisenbergschen Unschärferelation kann man bei der Interpretation als Energie-Zeit-Unschärfe dem Vakuum für sehr kurze Zeit Energie entziehen. Aus diesen Energieportionen können sich virtuelle Teilchenpaare bilden, bestehend aus Teilchen (z.B. Elektron) und zugehörigem Antiteilchen (z.B. Positron), die nach Verrinnen der kurzen Zeiten wieder verschwinden. Diesen Vorgang nennt man auch Vakuumpolarisation. Das Quantenvakuum ist also bildlich gesprochen ein 'ständig brodelnder See aus Teilchen und Antiteilchen', die entstehen und vergehen. Ein anderer, oft bemühter Begriff ist der der Vakuumfluktuationen.

Aus virtuell werde real

Unter bestimmten Bedingungen (weitere Energiezufuhr, weitere Partner für Impulsübertrag) können diese virtuellen Teilchen materialisieren. Genau dieser Prozess findet wohl auch bei der Bildung von Hawking-Strahlung am Ereignishorizont Schwarzer Löcher statt. Dieses bisher rein theoretisch abgeleitete Phänomen folgt aus einer semiklassischen Berechnung, d.h. die Allgemeine Relativitätstheorie wird mit Erkenntnissen aus der Quantenphysik verquickt - allerdings ohne eine konsistente Quantisierung des Gravitationsfeldes.

Quantenvakuum in der Quantenkosmologie

Für die Quantenkosmologie ist das Quantenvakuum von besonderer Relevanz, weil sich daraus ein mikroskopisches Universum gebildet haben könnte, das über den Mechanismus der Inflation sehr schnell sehr groß wurde.

experimenteller Nachweis des Quantenvakuums gelungen!

Im Casimir-Effekt ist das Quantenvakuum experimentell nachgewiesen worden. Zwischen zwei Metallplatten ('Kastenproblem') fehlen bestimmte Moden (= Anregungszustände) virtueller Photonen, so dass der Quantendruck von außen, wo alle Moden existieren können, überwiegt und die Casimir-Kraft die Platten zusammendrückt (mehr Einzelheiten unter Casimir-Effekt).

falsches Vakuum

Unter einem falschen Vakuum versteht man in der Diskussion von Higgs-Mechanismen Gebiete, die sich nach einer Symmetriebrechung ausbilden und endlichen Vakuumerwartungswert für das Higgs-Feld haben. Mit den falschen Vakua sind topologische Defekte verknüpft, in denen Energie 'topologisch eingeschlossen' ist. In vielfältiger Ausprägung (kosmische Strings, kosmische topologische Defekte mit dem Charakter Dunkler Energien) können diese Defekte von hoher Relevanz für die Kosmologie sein.
Auch in den Inflationsmodellen ist das falsche Vakuum bedeutsam, weil es eine exponentielle Expansion des Universums treibt.

Manifestiert sich das Vakuum kosmologisch als Dunkle Energie?

Die Dunkle Energie dominiert die späte Dynamik des Kosmos, wie es in unserem unmittelbaren, d.h. lokalen Universum der Fall ist. Sie macht mehr als zwei Drittel aller Energieformen im Kosmos (neben Dunkler Materie und baryonischer Materie) aus. Aber die Natur der Dunklen Energie ist ungeklärt! Als bislang beste Erklärung bietet sich das Quantenvakuum an, das sich auf der großen, globalen Skala des Kosmos in der Gestalt einer Dunklen Energie beschreiben lassen könnte. An sich eine paradoxe Vorstellung:

Das Nichts soll für eine beschleunigte Expansion des Universums sorgen!

Aber auf der kleinen Skala ist die Dunkle Energie schwach und irrelevant. Die mathematischen Details dieser attraktiven Hypothese sind allerdings unklar, zumal eine erste Berechnung große Unstimmigkeiten zutage gebracht hat.

Als Quantenzahlen bezeichnen die Physiker sämtliche quantisierte Eigenschaften (Freiheitsgrade) eines Teilchens oder quantisierten Systems (Ein-, Zwei-, Mehrteilchensysteme).

So finden wir Quantenzahlen

Der tiefer liegende Zusammenhang, der eine Verwendung von Quantenzahlen rechtfertigt, ist die Quantisierung physikalischer Größen, die die Quantentheorie aufdeckte. Kennt man das Quant, also die kleinstmögliche Einheit der betreffenden physikalischen Größe, so genügt die Angabe einer Zahl, nämlich des Vielfachen dieser Einheit, die Quantenzahl, um den Zustand des Systems eindeutig zu charakterisieren. In der Regel beschreiben erst viele Quantenzahlen, die unterschiedlichen Eigenschaften zugeordnet sind, ein Teilchen oder System eindeutig. Also charakterisieren Quantenzahlen erst ein Teilchen, ein Organisationsprinzip, um Ordnung in den Teilchenzoo zu bringen. Genau diese Methode wenden die Teilchenphysiker dem Particle Physics Booklet an. Es handelt sich um eine Art 'Teilchenkatalog', der alle Teilchen namentlich vorstellt und dann ihre Eigenschaften in Form von Quantenzahlen listet.

Beispiele für Quantenzahlen

• Eine sehr anschauliche physikalische Größe und Quantenzahl ist die elektrische Ladung Q. Im Millikan-Versuch konnte die Elementarladung e abgeleitet werden. Man könnte dies als Ladungsquant bezeichnen. Ihr Zahlenwert ist e = 1.602 176 462 × 10^-19 C (C steht für die SI-Einheit Coulomb der elektrischen Ladung). Entsprechend wird eine beliebige elektrische Ladung Q in Einheiten von e angegeben, also eine (in der Regel) ganze Zahl, die Quantenzahl. Dabei gilt die Vereinbarung, dass negative Ladungen ein negatives Vorzeichen und positive Ladungen ein positives Vorzeichen erhalten. So haben Elektronen Q = -1, Protonen und Positronen haben Q = +1 und die Quarks haben sogar drittelzahlige Ladungen, Q = -1/3 oder Q = +2/3 (wie man sieht haben Quarks drittelzahlige Ladungen!).
• Das Standardmodell der Teilchenphysik kennt weitere Ladungen: So wie Photonen an die elektrische Ladung koppeln, koppeln die Austauschteilchen (Eichbosonen) der schwachen Wechselwirkung, W^-, W⁺ und Z⁰ an die schwache Ladung g (oder Kopplung). Offensichtlich tragen Quarks und Leptonen ein g verschieden von null, da sie alle schwach wechselwirken. Zudem besteht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Elementarladung und schwacher Ladung (siehe erste Gleichung unten). Leider wird der dabei auftretende Weinbergwinkel θ_W nicht vom Standardmodell prognostiziert, folgt aber aus den Großen Vereinheitlichten Theorien in einer SU(5)-Gruppentheorie. Die Teilchenphysiker ermitteln den Weinbergwinkel experimentell: Er folgt aus dem Massenverhältnis von W- zu Z-Teilchen der schwachen Wechselwirkung (siehe zweite Gleichung unten). Der Zahlenwert für den quadrierten Sinus des Weinbergwinkels ist 0.23143.
• In der elektroschwachen Theorie taucht die schwache Hyperladung Y auf, die mit der unitären Gruppe U(1) beschrieben wird. Das Konzept der Hyperladung wurde unabhängig voneinander von den Physikern Murray Gell-Mann und Kazuhiko Nishijima 1953 entwickelt. Die Nukleonen, Proton und Neutron, besitzen identische schwache Hyperladung, Y = 1 (siehe dazu auch letzte Gleichung unten).
• Der Bahndrehimpuls ist ebenfalls quantisiert und wird durch die Bahndrehimpulsquantenzahl l angegeben. l gibt die Vielfache von h/(2π) = 1.054 571 596 × 10^-34 Js an (h = 6.626 068 76 × 10^-34 Js ist das berühmte Plancksche Wirkungsquantum). Die Angaben sind wichtig, um Zustände von Elektronen in Atomen zu charakterisieren. Die historische Terminologie ist dabei: l = 0 heißt S-Zustand, l = 1 P, l = 2 D, l = 3 F, l = 4 G, entsprechend weiter im Alphabet.
• Der Spin s, mathematisch ebenfalls ein Drehimpuls, ist ebenfalls quantisiert und nimmt nur Vielfache von h/(4π) an. Quarks und Leptonen sind Fermionen und haben s = 1/2.
• Weitere quantisierte Drehimpulse sind der Gesamtdrehimpuls J, der Isospin I und der schwache Isospin T.
• Wichtige Quantenzahlen in der Teilchenphysik sind außerdem die Seltsamkeit S, Leptonenzahl L, Baryonenzahl B, Bottomness B^*, Charmness C etc.

Regel für Quantenzahlen

Allgemein gilt immer:

Die Quantenzahl eines zusammengesetzten Teilchens oder Systems ist die Summe der Quantenzahlen seiner Konstituenten.

Ein Beispiel für diese Regel wird bei den Hyperonen anhand der Seltsamkeit vorgestellt.

gute Quantenzahlen

'Gute' Quantenzahlen sind erhalten. Das ist eine wunderbare Eigenschaft, weil sie viele Rechnungen erleichtert. Aber da ist noch mehr: Diese Erhaltung von Quantenzahlen steht in Zusammenhang mit Symmetrien (auch Noether-Theorem). Auf der Basis der Gruppentheorie haben die theoretischen Physiker einen sehr eleganten, mathematischen Apparat gefunden. Das legt eine profunde Sicht auf die Natur frei: Gruppenstruktur, Symmetrien und Erhaltungsgrößen sind miteinander verwoben.

Verknüpfungen zwischen Quantenzahlen

Die Quantenfeldtheorien decken wichtige Relationen zwischen Quantenzahlen auf. Die Gell-Mann-Nishijima-Formeln (siehe unten) verknüpfen einige Quantenzahlen, wie die letzten beiden Gleichungen zeigen, nämlich entweder elektrische Ladung Q, dritte Komponente des Isospins I₃, Baryonenzahl B, Seltsamkeit S, Charmness C und Bottomness B^∗ oder elektrische Ladung Q, Hyperladung Y und dritte Komponente des schwachen Isospins T₃:

(Quelle für Zahlenwerte: Particle Physics Booklet, Stand Juli 2002)

Die Quark-Ära kennzeichnet eine bestimmte frühe Entwicklungsphase des Universums, als die kosmische Urmaterie dominiert war von Quarks.

Es war heiß, sehr heiß!

Die typische Temperatur der Quark-Ära lag zu Beginn bei etwa 10²² Kelvin oder 10⁹ GeV. Dieser Zustand herrschte etwa 10^-23 Sekunden nach dem Urknall. In dieser Phase gab es noch keine Atomkerne, nicht einmal gebundene Zustände aus Quarks, die Hadronen (erst in der Hadronen-Ära). Diese Urmaterie war unstrukturiert und nur aus Elementarteilchen zusammengesetzt. Die Quarks waren frei und existierten zusammen mit den Austauschteilchen der starken Wechselwirkung, den Gluonen, in einem Zustand namens Quark-Gluonen-Plasma (QGP). Bei einer Temperatur von 10¹² Kelvin oder 100 MeV ist das QGP noch vorhanden.

Quarks & Leptonen

Neben dem primordialen QGP gab es freie Leptonen, wie Elektronen, Positronen, Myonen und Neutrinos. Alle diese Elementarteilchen wurden am Ende der GUT-Ära erzeugt, als die superschweren X-Bosonen und Y-Bosonen zerfallen waren.

Asymmetrie als Voraussetzung für unsere Existenz

Dabei stellte sich ein geringfügiges, aber hochrelevantes Missverhältnis zwischen Teilchen und Antiteilchen ein. Diese Asymmetrie ist wichtig, damit verständlich wird, weshalb es überhaupt baryonische Materie im Universum gibt (siehe Baryogenese).

Es wurde kalt, zu kalt!

Als das Universum etwa 10^-5 Sekunden alt war und eine Temperatur von 200 MeV erreichte, konnten die Quarks nicht länger als freie Teilchen existieren. Sie schlossen sich zu Zweier- (Mesonen) und Dreiergruppen (Baryonen) zusammen (beide Teilchengruppen als Hadronen subsumiert). Diesen Phasenübergang nennt man QCD-Phasenübergang (engl. QCD freezeout) oder Quark-Hadron-Übergang. Er markiert das Einsetzen des Quark confinements, wo also die Quarks in Teilchenverbänden eingeschlossen wurden. Dieser Vorgang war abgeschlossen, als das Universum eine Sekunde alt wurde. Dann konnten die Baryonen in der Epoche der primordialen Nukleosynthese schließlich die ersten leichten Atomkerne bilden.

Das Quark-Gluonen-Plasma (QGP) ist eine besondere und exotische Materieform, wie sie unter normalen, irdischen Bedingungen nicht vorkommt. Dieses Plasma besteht aus quasi-freien Quarks und Gluonen. Die Existenz des QGPs wurde vom Standardmodell der Teilchenphysik und der Quantenchromodynamik (QCD) vorhergesagt.

extreme Bedingungen

Allerdings bildet sich das Quark-Gluonen-Plasma nur unter extremen Bedingungen: Entweder muss die Materiedichte enorm hoch sein, und etwa fünf- bis zehnfache Kernmateriedichte, entsprechend 1.3 bis 2.5 × 10¹⁵ g cm^-3, betragen. Oder die Temperatur muss extrem hoch sein, bei etwa 10¹² Kelvin! Das ist fast 70000mal heißer als im Mittelpunkt der Sonne! Mittlerweile ist das Quark-Gluonen-Plasma 'künstlich' in Teilchenbeschleunigern hergestellt und gesichert experimentell nachgewiesen worden.

Über Quarks und Gluonen

Das erstaunliche am QGP ist, dass die Quarks in freier Form existieren können. Unter normalen Bedingungen sind sie als Hadronen gebunden. Gebunden zu Zweiergruppen nennt man sie Mesonen, in Dreiergruppen Baryonen. Mittlerweile wurden sogar Quarks in Vierergruppen (Tetraquark) und Fünfergruppen (Pentaquark) experimentell nachgewiesen.
Die Bindung der Quarks wird in der Fachsprache confinement (engl. für 'Gefangenschaft', 'Einschluss') oder im Deutschen auch 'Farbeinschluss' genannt. Das Confinement wird unter den genannten extremen Bedingungen aufgebrochen und die Quarks sind asymptotisch frei. Sie wechselwirken gemäß der QCD, der Quantenfeldtheorie der starken Wechselwirkung, miteinander über den Austausch von Gluonen. Diese bosonischen Botenteilchen, die die starke Kraft vermitteln, bilden zusammen mit den quasi-freien Quarks ein plasmaartiges Konglomerat, das Quark-Gluonen-Plasma genannt wird.

Welche Prognose gibt die Theorie?

Die Gleichungen der Quantenchromodynamik im Regime starker Kopplung lassen sich durch die Gittereichtheorie lösen. Dabei wird die Theorie auf einem euklidischen Raum-Zeit-Gitter diskretisiert - ein Verfahren, das übrigens Lösungsverfahren in der Hydrodynamik und Magnetohydrodynamik ähnelt (siehe auch AMR). Die Rechnungen der Gitter-QCD haben ergeben, dass der Phasenübergang bei 173±15 MeV (oder etwa eine Billion Kelvin) stattfindet (z.B. F. Karsch, hep-lat/0412038).

Wir heizen auf - was geschieht?

Aufheizen bricht die Atomkerne in Nukleonen auf. Die Hitze stellt auch Energie zur Verfügung, die es gestattet, aus dem Quantenvakuum Teilchen entstehen zu lassen: vor allem Pionen. In diesem Stadium gibt es demnach Nukleonen und dazwischen Pionen. Schließlich überlappen die Pionen mit den Nukleonen, so dass es insgesamt zu einem Netzwerk aus Quarks, Antiquarks und Gluonen kommt. Am Ende füllt dieses Netzwerk den ganzen Raum aus - ein Zustand, den man Perkolation (lat. percolo: 'vollenden') nennt - und man erhält das heißes QGP.

Wir pressen zusammen - was geschieht?

Beim Komprimieren von Materie gibt es einen vergleichbaren Überlappungseffekt wie soeben beschrieben, nur dass sich danach ein kaltes QGP ausbildet.

natürliches Vorkommen des QGPs

Die Extrembedingungen, mehrfache Kernmateriedichte und ein Billion Kelvin hohe Temperaturen, findet man in der Natur nach aktuellem Kenntnisstand nur in zwei Fällen. Im Universum, etwa eine Mikrosekunde nach dem Urknall, als der Feuerball noch klein und heiß genug war, erwarten die Physiker ein heißes QGP. Hingegen erwarten sie im Innern von kompakten Objekten, nämlich bei den Neutronensternen oder eventuell auch bei Quarksternen, dass ein kaltes QGP im Innern entsteht

So stellen Physiker das QGP künstlich her

Die Physiker versuchten schon seit einiger Zeit das QGP experimentell in Teilchenbeschleunigern herzustellen. In einigen wenigen Aspekten entspricht dieses Experiment einem Urknall im Labor. Dazu benutzen die Teilchenphysiker schwere Ionen, wie Gold- oder Bleiionen. Diese Elemente enthalten besonders viele Teilchen im Atomkern, etwa 200 dieser so genannten Nukleonen pro Atomkern. Schwere Elemente eignen sich für diese Experimente, weil sie bereits viele Teilchen für einen Zusammenstoß mitbringen, hohe Bewegungsenergien besitzen, wenn sie beschleunigt werden (kinetische Energie wächst linear mit der Masse) und einen größeren Querschnitt zur Kollision haben. Die schweren Ionen werden aufeinander geschossen und sollen für extrem kurze Zeiten das QGP in einem winzigen Raumpunkt erzeugen: die so genannte Energiedichte ist die zentrale Größe in der Teilchenbeschleunigerphysik. Ziel ist es in einem kleinen Volumen viel Energie (in Form von schnellen Teilchen) zu deponieren. Bei einer Kollision von einem Goldion auf ein anderes werden auf einmal 400 Nukleonen in einem winzigen Würfel der Kantenlänge von einem Femtometer (10^-13 cm) vereinigt. Die Temperaturen dabei sind enorm hoch und betragen etwa 1.8 × 10¹² Kelvin! Kurzzeitig entsteht ein so genannter nuklearer Feuerball. Das klingt dramatisch, aber die totale Energie (etwa 200 GeV pro Nukleonenpaar) ist nicht viel größer, als diejenige kinetische Energie, die frei wird, wenn eine Augenwimper aus einer Höhe von 60 Zentimetern auf den Boden fällt!
Die Physiker können das QGP jedoch nicht direkt messen, sondern müssen aus den hadronischen Schauern die Existenz des QGP rekonstruieren. Nach einer kurzen Existenz des Plasmas aus Quarks und Gluonen, 'zerplatzt' der Feuerball in eine Vielzahl von Teilchen: neben den Nukleonen (Protonen und Neutronen), entstehen auch Photonen und natürlich auch Pionen sowie Kaonen etc. Mit hadronischen Schauern bezeichnen die Kernphysiker die neuen Teilchen, die sich aus den Fragmenten der Kollision bilden. Weil ein Feuerball zu einigen tausend Teilchen 'hadronisiert', ist die Detektion und Datenanalyse außerordentlich anspruchsvoll. Die Abbildung oben rechts vermittelt einen Eindruck davon: sie zeigt tausende Hadronen als bunte Fäden, die nach einer Gold-Gold-Kollision im STAR-Experiment am RHIC entstanden sind (Credit: Berkeley Lab, 2005). Die oben genannte Phasenübergangstemperatur von etwa 170 MeV folgt experimentell aus der Analyse der produzierten Hadronenhäufigkeiten mit etwa 10% Unsicherheit - eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment.

Unfall zweier Pfannkuchen

Erste Hinweise auf die Bildung des Quark-Gluonen-Plasmas gab es schon an der europäischen Teilchenbeschleunigeranlage CERN, wie im Jahr 2000 bekannt gegeben wurde. Der gesicherte Nachweis gelang am US-amerikanischen Teilchenbeschleuniger RHIC, dem Relativistic Heavy Ion Collider. Hier nutzen die Physiker zur Herstellung des QGP einen 2.4 Meilen umfassenden Ring, an dem es sechs (magnetisch geführte) Kreuzungspunkte gibt. An den Kreuzungen können sich die Teilchenkollisionen ereignen. Die Atomkerne erreichen relativistische Geschwindigkeiten, also Geschwindigkeiten, die mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit (knapp 300000 km/s) vergleichbar sind. Aufgrund der Gültigkeit der Speziellen Relativitätstheorie und der damit verbundenen Lorentz-Kontraktion erscheinen die an sich (im Ruhesystem) kugeligen Kerne im Laborsystem stark abgeflacht in Bewegungsrichtung. Die Kollision findet demnach eher zwischen zwei scheibenartigen Gebilden (Fachausdruck pancakes, also 'Pfannkuchen') statt. In der Theorie kann die Kollision schwerer Atomkerne mit den Methoden der Hydrodynamik beschrieben werden. Damit können die experimentellen Daten gut wiedergegeben werden.
Erste Ergebnisse am RHIC wurden aus Gold-Deuteron-Kollisionen im März 2003 gewonnen. Das viel leichtere Deuteron ist ein Verbund aus einem Proton und einem Neutron, dem Atomkern des Deuteriums, schwerem Wasserstoff. Das viel kleinere Deuteron schießt durch den viel größeren Goldatomkern wie eine Gewehrkugel. Dabei werden Quarks herausgerissen, die schließlich Teilchen-Jets erzeugen. 'Teilchen-Jet' meint in diesem Zusammenhang die oben angesprochenen 'Teilchenschauer'. (Anmerkung: Die Teilchenjets sind nicht zu verwechseln mit den kosmischen Jets der Astrophysik! Sie sind sich nur morphologisch ähnlich.)

Durchbruch am Teilchenbeschleuniger RHIC

Im Jahr 2004 wurde eine Erfolgsmeldung verbreitet: Am Teilchenbeschleuniger RHIC konnte mit den Detektoren PHENIX und STAR das Quark-Gluonen-Plasma nachgewiesen werden!
In den Spektren der aus dem Feuerball erzeugten Teilchen finden sich auch Hinweise darauf, dass einige schnelle Teilchen in der dichten QGP-Schicht abgebremst werden. Die Dichte der Gluonen kann daraus abgeschätzt werden und führt zu einem Zahlenwert, dass sich in einem Zylinder mit dem Durchmesser eines Goldatomkerns und der Höhe eines Femtometers etwa tausend Gluonen befinden!

fundamentales Verständnis der Natur

Aus diesen experimentellen Erfolgen der Teilchenphysik ergeben sich bestimmt vorerst keine industriellen Anwendungen, die den neuen Materiezustand zu nutzen vermögen. Denn dafür sind die Herstellungsbedingungen zu extrem und das QGP zu kurzlebig. Aber es bedeutet einen Durchbruch sowohl für die experimentelle, als auch die theoretische Kernphysik. Die Erforschung der starken Wechselwirkung ist nun unter völlig neuen Voraussetzungen möglich. Es ist insbesondere ein Erfolg der Quantenchromodynamik, deren Prognose bestätigt werden konnte. Die Herstellung und Vermessung des QGPs auf der Erde kommen auch der Astronomie zugute, weil sich aus den Experimenten neue Beschränkungen für das frühe Universum und das Innere von Neutronensternen ergeben. Letztendlich nutzen diese Entdeckungen der ganzen Physik, weil sie in ein neuartiges Verständnis der fundamentalen Wechselwirkungen und dem Aufbau der Materie münden.

Literatur

• Extreme Materie von Peter Braun-Munzinger & Jochen Wambach, Physik Journal, Oktober 2006
• Flüssige Quarkmaterie von Johanna Stachel, Physik Journal, Juni 2005
• Experimental and Theoretical Challenges in the Search for the Quark Gluon Plasma, STAR Kollaboration, 2005
• Formation of dense partonic matter at relativistic nucleus-nucleus collisions at RHIC, PHENIX Kollaboration, 2004

Quarks sind neben den Leptonen dem Standardmodell der Teilchenphysik folgend die fundamentalen Bausteine der Materie. Die Physiker sind derzeit überzeugt, dass sie nicht mehr teilbar sind und keine weitere Substruktur aufweisen. Im Prinzip ist das ein moderner Atomismus im Sinne Demokrits. Diese Eigenschaft umreißt man mit dem Begriff 'Punktförmigkeit' und muss dabei wissen, dass idealisierte Punkte an sich nicht mit der Quantentheorie verträglich sind. Denn das Heisenbergsche Unschärfeprinzip verbietet die Existenz idealisierter Punkte.

Ursprung des Wortes 'Quark'

Die Etymologie des Namens Quark geht auf den amerikanischen Elementarteilchenphysiker Murray Gell-Mann (*1929) zurück: er entlehnte dem Roman Finnegans Wake (1939) des irischen Dichters James Joyce diesen Begriff. Dort heißt es gleich zu Anfang eines dreizehnzeiligen Gedichts: 'Three quarks for Muster Mark! [...]'. Der Begriff quark war hier ein onomatopoetisches Kunstwort, dass Joyce in Anlehnung an die Laute einer Krähe wählte und das sich auf andere Worte im Vers des Gedichts reimte.

sechs Quarks

Die drei Quarks passten hervorragend zur damals bekannten Zahl subatomarer Partikel, die die Nukleonen konstituieren. Erst später stellte sich heraus, dass es insgesamt sechs Quarks gibt, die alle experimentell nachgewiesen werden konnten (zuletzt, 1995, das schwerste Quark, das top-Quark).

Eigenschaften der Quarks

Vom physikalischen Standpunkt handelt es sich bei den Quarks um punktförmige Fermionen mit Spin 1/2, die Träger drittelzahliger elektrischer Elementarladungen (+2/3 oder -1/3) und der so genannten Farbladung sind. Die 'Farbe', zu verstehen als hypothetisches Merkmal (nicht als tatsächliche Färbung!), ist ein weiterer Freiheitsgrad und begründete gerade den Namen der Quantenchromodynamik (QCD) (grch. chroma: Farbe). Die Farbladung ist gewissermaßen ein Analogon zur elektrischen Ladung und ein weiteres Unterscheidungsmerkmal für Teilchen.
Man kennt sechs Quarks, die sich in der Eigenschaft Flavor (dt. 'Geschmack') unterscheiden. Die Terminologie ist u, d, s, c, b, t, als Abkürzungen für up, down, strange, charm, bottom und top. Diese Bezeichnungen sind natürlich willkürlich und im Prinzip irrelevant. Sie dienen nur der Unterscheidung. Es gibt zu diesen sechs Quarks die jeweiligen Antiquarks, also weitere sechs Teilchen.

Massen und Ladungen der Quarks

• u: 5 MeV, +2/3 (in Einheiten der Elementarladung e)
• d: 10 MeV, -1/3
• s: 200 MeV, -1/3
• c: 1.5 GeV, +2/3
• b: 4.7 GeV, -1/3
• t: 180 GeV, +2/3

(Quelle: CERN-Homepage, Stand August 2002)

Das top-Quark wurde aufgrund seiner hohen Masse erst 1995 am FERMILAB experimentell nachgewiesen. Ebenfalls am FERMILAB wurde bereits 1977 das bottom-Quark entdeckt.

Willkommen im Hadronenzoo

Alle Hadronen bestehen aus Quarks, deren Unterklassen, die Baryonen aus drei und die Mesonen aus zwei Quarks. Neuerdings sind neue Teilchen dazu gekommen, die aus mehreren Quarks bestehen. So kennt man mittlerweile das Tetraquark, das aus vier Quarks besteht und das Pentaquark, das sich sogar aus fünf Quarks zusammensetzt.

freie Quarks

Unter normalen, d.h. irdischen, Bedingungen ist die chirale Symmetrie gebrochen und die Quarks sind eingeschlossen (confinement) und nur asymptotisch frei. Bei hohen Temperaturen ab etwa 170 MeV oder bei hohen Drücken wird jedoch die chirale Symmetrie restauriert: die Quarks (und Gluonen) sind quasi-frei (deconfinement), und es entsteht eine neue Materiephase, die Quark-Gluonen-Plasma (QGP) heißt. Von diesem Zustand stark wechselwirkender Materie glaubt man, dass er im Innern von Neutronensternen, Magnetaren und Quarksternen realisiert ist. Auch Sekundenbruchteile nach der Entstehung unseres Universums im Urknall war das Milieu in einem geeigneten Zustand in Dichte und Temperatur, um das QGP hervorzubringen. 2004 wurde experimentell das QGP am Teilchenbeschleuniger RHIC nachgewiesen.

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© Andreas Müller, August 2007

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