Physik compact, Basiswissen 8, Schulbuch

76 Mikrokosmos 22 Das Quark-Modell Die Möglichkeit, Ordnungsschemata für Hadronen aufzustellen (siehe Abb. 75.1 bis 75.3), legte einen ge- meinsamen Aufbau nahe. Jedes Quark hat die Baryonenzahl B = 1/3 (Antiquarks haben B = –1/3). Die Gesamtladung Q eines Teilchens ist die Summe der elektrischen Ladungen der Quarks. Die Zahl der s-Quarks wird als Seltsamkeit S (strangeness) eines Teilchens bezeichnet. Beispiel Innerer Aufbau der Nukleonen Mit Streuversuchen wurde gezeigt, dass die Quarks sehr kleine und sehr dichte Objekte im Inneren der Nukleonen sind. Die Darstellung der Quarks in der obigen Abbildung ist also nicht maßstäblich! Beispiel Aufbau der Mesonen 22.7.2 Teilchen und Antiteilchen unterscheiden sich bei den Hadronen durch ihre Quarks. So besteht das r + -Meson aus einem d-Antiquark und einem u-Quark; sein Anti- teilchen ist das r – -Meson, das aus einem d-Quark und einem u-Antiquark aufgebaut ist. Da ein Quark und sein Antiquark entgegengesetzte Ladungen haben, weisen das Teilchen und sein Antiteilchen entgegen- gesetzte Ladungen auf. Beispiel Neutron und Antineutron Das Neutron und das Antineutron unterscheiden sich durch die Zusammensetzung ihrer Quarks: Neutron: u + d + d Antineutron: u d d + + Ladung: 2/3 – 1/3 – 1/3 -2/3 + 1/3 + 1/3 Neutron und Antineutron sind elektrisch neutral. Da das Neutron nicht sein eigenes Antiteilchen ist, vernichten sich die Neutronen im Atomkern nicht gegenseitig. Für die Quarks, die ein Baryon oder ein Meson aufbau- en, gilt das Pauli-Prinzip. Bemerkung: Die starke Kraft bewirkt den Austausch von Quark-Antiquarkpaaren (Mesonen) zwischen den Hadronen, die Erzeugung bzw. die Vernichtung eines Quarks und seines Antiteilchens. Die schwache Wech- selwirkung verändert auch die Sorte von Quarks. Beispiel Quarkumwandlung beim b -Zerfall Beim b -Zerfall wird ein d-Quark des Neutrons in ein u-Quark des Protons umgewandelt. Dieser Prozess dauert bedeutend länger als Quarkreaktionen der starken Kraft. A1 Überprüfe die Ladung der Hadronen, die auf dieser Seite behandelt werden, anhand der Quarkla- dungen! Bestimme ferner die Baryonenzahl B und die Seltsamkeit S dieser Hadronen! Quarks Masse (MeV) Ladung ( e ) Spin ( h /2 r = ħ ) Baryo- nenzahl up-Quark u ~5 2/3 1/2 1/3 down-Quark d ~10 –1/3 1/2 1/3 strange-Quark s ~100 –1/3 1/2 1/3 charm-Quark c ~1500 2/3 1/2 1/3 bottom-Quark b ~4700 –1/3 1/2 1/3 top-Quark t >30000 2/3 1/2 1/3 Abb. 76.1 Sechs Quarks und ihre Antiteilchen bauen alle Hadronen (Baryonen und Mesonen) auf. d u u u d d p n Abb. 76.1 Das Proton und das Neutron werden (wie jedes Baryon) aus drei Quarks gebildet. u d d s s s Abb. 76.2 Die Mesonen werden aus 2 Quarks, jeweils aus ei- nemQuark und einem Antiquark, aufgebaut („Quark-Antiquark- Paare“). Ihre Ladung ist stets ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung; ihre Baryonenzahl ist stets null. u u u d d d s s s Abb. 76.3 Die in der Abbildung dargestellten Baryonen werden aus 3 gleichen Quarks gebildet. Wegen des Pauli-Prinzips ist noch eine weitere Quantenzahl („Farbe“; siehe Kapitel 22.7.3) nötig, die die Quarks unterscheidet. Nur zu Prüfzwecken – Eig ntum des Verlags öbv