Sonnenuntergang in Kassel (Lara Bendig)

Donnerstag, 13. Februar 2020

Wie sag ichs meinem Alien? Teil 13: Alles Quark

oder besser: alles besteht aus Quarks!

Atome bestehen aus Atomkernen und der Elektronenhülle, die Atomkerne aus Protonen und Neutronen und diese setzen sich aus u- und d-Quarks zusammen.

Ein u-Quark trägt -1/3 e und ein d-Quark + 2/3 e als Ladung (e = Elementarladung) .
Damit kann man ein Proton als ddu und ein Neutron als uud auffassen.

Um sich die Größenordnung etwas vorstellen zu können:
Wäre ein Proton so groß wie eine Faust, dann wäre ein Quark kleiner als 0,1 mm, also nur mit Lupe zu erkennen, und ein Atom wäre dann mit 10 km Größe so groß wie das Kasseler Becken.

Aber so einfach ist das Bild nicht: Nur etwa 2% der Masse des p oder n bestehen aus den drei Quarks, die man auch als Valenzquarks bezeichnet. Die restlichen 98% bestehen aus den Austauschbosonen der starken Kraft, den Gluonen (die die Quarks zusammenhalten) und virtuellen Quark-Antiquark-Paaren (Seequarks genannnt), die aus dem Nichts auftauchen und wieder verschwinden.
Diese 98% stecken seit dem Beginn des Urknalls in allen Protonen und Neutronen des Universums.
Da sich die p und n innerhalb der ersten 4 Mikrosekunden nach dem Urknall gebildet haben, bestehen wir zu 98% aus dem Anfangsstoff des Universums, den Zeugen des Urknalls!

Damals (und heute in den energiereichen Kollisionen der Teilchenbeschleuniger) gab es noch weitere Quark-Sorten:

c und s sowie t und b

Diese Teilchengenerationen haben wir schon bei den leichten Teilchen den Leptonen kennengelernt:
Zu u und d gehört das Elektron (mit seinem Neutrino), zu c und s das Myon (mit seinem Neutrino) und zu t und b das Tau (mit seinem Neutrino).

Das Zeugs höherer Generationen  ist alles instabil und zerfällt sofort in u, d und das Elektron, dem Stoff, aus dem jetzt alles besteht.

Wir brauchen aber jetzt die Quarks der zweiten Generation, das Charme-Quark c und das Strange Quark s.
Beide haben etwa die Masse von 1,2 Protonenmassen, das s trägt -1/3 e und das c +2/3 e als Ladung (übrigens: das t - Quark hat die Masse eines Wolframatoms).

Natürlich gibt es zu all dem Kram auch die entsprechenden Anti-Teilchen.

Alle Quarks tragen eine eigene Art von Ladung, die Farbladung. Diese bindet Quarks aneinander. es gibt drei Arten von Farbladungen, die man mit r (rot), g (grün) und b (blau) bezeichnet. Antiquarks tragen Anti-Farbladungen.
Quarks müssen nun so kombiniert werden, dass sich ihre Farbladungen aufheben. Dass geht mit   drei Quarks (r, g und b mischen sich zu weiß) oder einem Quark und einem Antiquark (Farbe und Antifarbe heben sich auf).

Kombinationen aus drei Quarks sind die Hadronen (Beispiel Protonen und Neutronen), Kombinationen aus Quarks und Anti-Quarks sind die Mesonen (Beispiel Pionen und Kaonen).

Mesonen sind nie stabil und zerfallen immer, sie spielten eine Rolle beim Urknall und werden heute in den Teilchenbeschleunigern wieder erzeugt.

Wir werden uns jetzt mit den Kaonen beschäftigen. Sie setzen sich zusammen aus einem der Quarks oder Antiquarks u oder d kombiniert mit einem s oder Anti-s-Quark:

u, Au (Anti-u), d, Ad mit s  bzw. As kombiniert:
Es entstehen drei Arten von Kaonen, ein negativ geladenes K-, ein positiv geladenes K+ und ein elektrisch neutrales Kaon K0. K+ und K- sind zueinander Antiteilchen, das K0 besitzt ein eigenes Antiteilchen, das AK0.

(u, As) = K+, (Au,s) = K-, (Ad,s) = AK0  (Anti-K0), (d,As) = K0

Um einen  Überblick zu bekommen, habe ich mal alle Kombinationen aufgeschrieben (der Strich drüber markiert das Anti "A"):


aus wikipedia
Uni Göttingen, LP Praktikum

In den nächsten Posts lernen wir, wie man mit den Kaonen Materie und Antimaterie prinzipiell voneinander abgrenzen kann!

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