Protonen und Neutronen, die Partikel, die den Kern von bilden Atom , könnten scheinen wirklich winzig zu sein. Wissenschaftler sagen jedoch, dass diese subatomaren Teilchen selbst aus etwas noch Kleinerem bestehen - Teilchen, die Quarks genannt werden .
"Nun, ich denke, die einfachste Art, es auszudrücken, ist, dass Quarks der Grundbestandteil der Materie sind, von allem, was um uns herum ist", erklärt Geoffrey West . Er ist ein theoretischer Physiker, der die Gruppe für Hochenergiephysik am Los Alamos National Laboratory gegründet hat und jetzt Shannan Distinguished Professor am Santa Fe Institute ist . (Er ist auch Autor des 2017er Bestsellers " Scale " darüber, wie die mathematischen Gesetze, die die Struktur und das Wachstum der physischen Welt regeln, auf das biologische Leben und die menschliche Gesellschaft angewendet werden.)
Wie Elektronen und andere Leptonen , Quarks scheinen keine Struktur zu haben und scheinen unteilbar zu sein, wie erläutert von der University of Melbourne Teilchenphysiker Takaski Kubota im Gespräch.
Quarks sind so klein, dass es umwerfend ist, überhaupt zu versuchen, ihre geschätzte Größe auszudrücken. Der Physikprofessor Jon Butterworth vom University College London erklärte, dass der Radius eines Quarks etwa 2.000 Mal kleiner ist als der eines Protons, das wiederum 2,4 Billionen Mal so klein wie ein Sandkorn ist.
Existenz von Quarks erstmals 1964 vorgeschlagen
Die Existenz von Quarks wurde erstmals 1964 vom theoretischen Physiker Murray Gell-Mann vom California Institute of Technology vorgeschlagen , einer der Schlüsselfiguren bei der Entwicklung des Standardmodells der Teilchenphysik. Gell-Mann, Gewinner des Nobelpreises für Physik von 1969 , fand heraus, dass die Erklärung der Eigenschaften von Protonen und Neutronen erfordert, dass sie aus kleineren Teilchen bestehen. Gleichzeitig kam auch ein anderer CalTech-Physiker, Georg Zweig , selbständig auf die Idee.
Die Existenz von Quarks wurde durch Experimente bestätigt , die von 1967 bis 1973 im Stanford Linear Accelerator Center durchgeführt wurden.
Eines der seltsamen Dinge an Quarks ist, wie West erklärt, dass sie beobachtet werden können, aber nicht isoliert werden können. "Es gibt einen subtilen Unterschied", sagt er. "Sie sind wie Elektronen, da Elektronen von grundlegender Bedeutung sind, aber mit Elektronen können wir sie beobachten und auch isolieren. Sie können auf ein Elektron zeigen. Mit Quarks können Sie keines aus dem Kern nehmen und es auf den Tisch legen und untersuche es. "
Stattdessen beschleunigen Wissenschaftler mithilfe gigantischer Teilchenbeschleuniger Elektronen und untersuchen damit die Tiefe des Kerns. Wenn sie tief genug in das Innere eindringen , streuen die Elektronen die Quarks ab , die mit hochentwickelten Detektoren gemessen werden können. "Wir rekonstruieren das Ziel, aus dem Protonen und Neutronen bestehen", sagt West. "Sie sehen diese kleinen Punktobjekte, die wir als Quarks identifizieren."
Es gibt sechs Arten von Quarks
Quarks haben im Vergleich zu den Protonen, die sie bilden, gebrochene Ladungen . Es gibt sechs Arten von Quarks, die auf der Masse basieren, und die Partikel haben auch eine Qualität, die als Farbe bezeichnet wird. Dies beschreibt, wie die starke Kraft sie zusammenhält. Farbe wird von Gluonen getragen - eine Art Bote für die starke Kraft, die Quarks zusammenhält. (Sie sind analog zu Photonen .)
Ein Team von Physikern der Universität von Kansas plant, ein Gerät zu verwenden, das am Large Hadron Collider installiert ist , einem massiven Teilchenbeschleuniger in einem 27 Kilometer langen Tunnel zwischen Frankreich und der Schweiz, um die starke Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen zu untersuchen.
"Die Idee ist, das Proton und die Schwerionenstruktur - wie beispielsweise Blei - besser zu verstehen und ein neues Phänomen namens Sättigung zu untersuchen", erklärt Christophe Royon , Physikprofessor an der Universität von Kansas, der die Forschung leitet in einer E-Mail. "Wenn zwei Protonen oder zwei Ionen mit sehr hoher Energie kollidieren, reagieren wir empfindlich auf ihre Substruktur - Quarks und Gluonen - und können einen Bereich untersuchen, in dem die Dichte der Gluonen sehr groß wird."
"Eine Analogie wäre die U-Bahn in New York zu Stoßzeiten, wenn die U-Bahn völlig überlastet ist", fährt Royon fort. "In diesem Fall verhalten sich die Gluonen nicht als einzelne Identitäten, sondern können kollektives Verhalten zeigen, genau wie eine überfüllte U-Bahn. Wenn jemand fällt, wird es jeder spüren, da die Menschen so nahe beieinander sind Protonen oder Schwerionen können sich wie ein festes Objekt verhalten, wie ein Glas, das als Farbglaskondensat bezeichnet wird. Dies wollen wir am LHC und auch am zukünftigen Elektronen-Ionen-Kollider in den USA sehen. "
Royon sagt, dass das Finden eines Beweises für die Existenz dieses dichten Gluonmaterials eine der größten unbeantworteten Fragen zu Quarks beantworten würde. "Dies ist ein neuer Zustand", sagt er. "Einige Hinweise sind bereits beim Relativistic Heavy Ion Collider oder beim Large Hadron Collider aufgetaucht, aber noch ist nichts sicher. Es wäre eine wichtige Entdeckung, und sowohl der Large Hadron Collider als auch der Electron-Ion Collider sind ideale Maschinen, um dies zu sehen."
Wissenschaftler fragen sich auch, ob es etwas geben könnte, das noch kleiner als ein Quark ist. "Es stellt sich die Frage, gibt es noch eine andere Ebene?" West sagt. "Wir kennen die Antwort darauf nicht."
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Gell-Mann erhielt den Namen für das Teilchen aus James Joyces experimentellem Roman " Finnegans Wake " von 1939 , der die Zeile "Drei Quarks für Muster Mark!" Enthält.
