Beck Wissen - Antimaterie - Auf der Suche nach der Gegenwelt

Periodensystem der Elemente war den Forschern bereits damals deutlich geworden, daß die vielen Partikel des „Teilchenzoos“ bestimmte Ähnlichkeiten aufwiesen: So verfügte z.B. das Proton fast über die gleiche Masse wie das Neutron, der Spin beider Teilchen - eine Art Eigendrehimpuls - war gleich, nur die Ladung unterschied sich.
    Dies traf für ganze Gruppen von Teilchen zu: Es gab neben Proton und Neutron noch zahlreiche weitere Teilchen, die sämtlich in Masse, Spin und einer ladungsartigen Kennzahl (Baryonenzahl) übereinstimmten, sich aber im Vorzeichen der elektrischen Ladung unterschieden (Isospingruppe). Mit ihren drei Quarks wollten Gell-Mann und Zweig nun diese Eigenschaften erklären. Auf welche Weise, werden wir gleich darstellen. Doch zuvor noch das stärkste Argument zugunsten der realen Existenz von Quarks - die Experimente!
    Im Jahre 1974 gelang es Samuel Chao Chung Ting am Brookhaven National Laboratory und Burt Richter in Kalifornien, die Existenz elementarster Bausteine jenseits der Protonen und Neutronen durch Versuche zu beweisen. Die Vorgehensweise war ganz ähnlich, wie schon bei der Entdeckung der Protonen als Bestandteile des Atomkerns: Beim Beschüß von Protonen mit energiereichen Elektronen flogen die meisten der negativ geladenen Teilchen ungehindert durch die positiv geladenen Kernbausteine hindurch. Einige jedoch wurden erheblich abgelenkt. Die Deutung lag auf der Hand: Der größte Teil des Protons ist leer, aber in diesem Protonenvolumen gibt es elementare Partikel mit elektrischer Ladung, die für die seltenen Ablenkungen der Elektronen sorgen. Sowohl aus den Experimenten als auch aus theoretischen Überlegungen heraus gelang es, die Eigenschaften dieser Quarks abzuleiten, die sich als höchst seltsam erwiesen. So tragen die Quarks z. B. gebrochene Ladungen der Elementarladung des Elektrons (=1). Das sog. u-Quark weist eine Ladung von 2/3 der Elementarladung, das sog. d-Quark eine solche von -1/3 auf. Die beobachtete Ladung des Protons von +1 ergibt sich gerade, wenn man annimmt, daß es aus zwei u-Quarks (Ladung +4/3) und einem d-Quark (Ladung -1/3) besteht. Da das Neutron nach außen keine elektrische Ladung aufweist, muß es sich aus einem u-Quark (Ladung +2/3) und zwei d-Quarks (Ladung -2/3) zusammensetzen. Neben den gebrochenen Ladungen verfügen die Quarks auch noch über die „Farben“ rot, grün und blau - eine Umschreibung für ladungsartige Eigenschaften.
    Mit Hilfe der Quarks ließen sich auch die Spinzahlen der Protonen und Neutronen (sowie überhaupt aller Baryonen) und die der Mesonen erklären. Die Spinzahlen der Baryonen sind nämlich stets nichtganzzahlig und auch nie Null, die der Mesonen hingegen stets 0 oder 1. Die Quarks verfügen über den Spin 1/2 (je nach Richtung mit negativem oder positivem Vorzeichen). Diese Tatsachen ergeben sich zwangsläufig, wenn man davon ausgeht, daß die Baryonen aus je drei Quarks, die Mesonen aber aus je zwei Quarks zusammengesetzt sind. Unverständlich erschien allerdings zunächst, warum zwei Elementarteilchen, die aus gleichvielen Quarks bestehen, erhebliche Massenunterschiede aufweisen. Merkwürdig war auch, daß die einzelnen Quarks größere Massen besitzen, als die Elementarteilchen, die aus ihnen aufgebaut sind. So bestehen z.B. das Ro-Meson und das Pi-Meson jeweils aus 2 Quarks, trotzdem übersteigt die Masse des Ro-Mesons die des Pi-Mesons um den Faktor 600! Doch die Erklärung wurde bald gefunden: Im einen Fall sind die Spins nämlich gleich ausgerichtet, im anderen Fall entgegengesetzt. Der Massenunterschied zwischen den beiden Teilchen entspricht genau der Energie, die man benötigt, um den Spin eines Quarks „umzuklappen“. Die Berücksichtigung der Masse-Energie-Äquivalenz gemäß der Speziellen Relativitätstheorie war also des Rätsels Lösung - auch bei den schweren Teilchen.
    Schließlich wurde noch ein viertes und ein fünftes Quark gefunden, von der Existenz eines sechsten sind die Elementarteilchenphysiker überzeugt. Sie wissen allerdings auch, daß es schwer zu finden sein wird - vor allem, weil man keinerlei Vorstellungen darüber besitzt, welche Masse es aufweisen könnte.
    Für die Quarks ist inzwischen ein Ordnungsschema entwickelt worden, bei dem die verschiedenen „Sorten“ und Eigenschaften durch „Quantenzahlen“ (Indizes) gekennzeichnet sind. Der erste Index kennzeichnet die „Farbladung“ und läuft von 1 bis 3; der zweite Index bezeichnet den „Geschmack“ (flavour), d.h., ob es