Quarks werden in Einzelhaft gesteckt? Es stellt sich heraus, dass Menschen es nicht „erscheinen“ lassen können …

1974 entdeckten Samuel Ting und Richter das J/ψ-Teilchen und 1977 entdeckte Lederman das Y-Teilchen. Seitdem wurden Charm-Quarks und Bottom-Quarks auch in Experimenten bestätigt. Dadurch wurde das Quarkmodell allmählich populär und über 200 Teilchenarten können anhand verschiedener Quarks klassifiziert werden. Schade nur, dass Quarks aufgrund der Quark-Confinement-Situation bisher nicht aufgetreten sind.

Warum wurde Quark in Einzelhaft gesteckt? Wie bereits erwähnt, beruhte die erste Entdeckung der Quark-Confinement auf einer Reihe von Experimenten, die am SLAC durchgeführt wurden. Damals bombardierte man Protonen mit Elektronen mit Energien von nahezu 20 GeV und stellte fest, dass die Protonen offenbar tatsächlich winzige geladene Körper enthielten, bei denen es sich vermutlich um Quarks handelte. Später, als die Energie der Geräte von einigen zehn G auf einige hundert G und jetzt auf einige hundert T anstieg, ist es mit der Protonenkollisionsmethode selbst bei einer so hohen Energie nicht möglich, Quarks herauszuschlagen. Aus diesem Grund waren die Menschen gezwungen, die Theorie der Quark-Confinement zu entwickeln. Später, mit dem Aufkommen der Quantenchromodynamik (QCD), erhielt die Quark-Confinement eine andere Beschreibung. Tatsächlich entstand die Quantenchromodynamik (QCD) bereits 1965, im zweiten Jahr nachdem Gell-Mann das Quarkmodell vorgeschlagen hatte. Die Theorie der Quantenchromodynamik geht davon aus, dass jedes Quark eine einzigartige Farbe hat, d. h. es gibt sechs Arten von Quarks, und jede Art von Quark kann drei Farben haben: Rot, Grün und Blau. Antiquarks haben eine Antifarbe und diese Eigenschaft wird Farbladung genannt. Aber offensichtlich sind dieser Geschmack und diese Farbe nicht der Geschmack und die Farbe, die wir verstehen, sondern sie stellen lediglich zwei neue Quantenzahlen dar. Da es sich bei QCD ebenfalls um eine Feldtheorie handelt, ist auch hier ein Teilchen erforderlich, um die Wechselwirkung zu übertragen, d. h. wer überträgt die starke Kraft zwischen Quarks? Dieses Teilchen wird Gluon genannt. Es gibt acht Arten von Gluonen, die anhand ihrer Farbladung unterschieden werden. An diesem Punkt kennen wir endlich die innere Struktur der Hadronen, die aus Quarks und Gluonen bestehen. Warum sind Quarks unsichtbar? Jetzt können wir es auch anders sagen. Da jedes Quark, aus dem ein Hadron besteht, eine andere Farbe haben muss, nämlich jeweils Rot, Grün und Blau, ergibt die Überlagerung der drei Farben Weiß. Die Partikel, die wir sehen, sind alle weiß. Mit Ausnahme von Weiß sind Partikel anderer Farben unsichtbar. Dies wird auch als Farbbeschränkung bezeichnet.

Sie sind vielleicht der Meinung, dass das Konzept der Farbbeschränkung bloß eine Neuauflage alter Methoden ist und nicht die eigentliche Ursache darstellt, denn selbst die Farbeigenschaften von Quarks sind künstlich bestimmt. Ist die Farbbeschränkung also glaubwürdig? Erst 1973 schienen drei Personen eine andere Erklärung für die Quark-Confinement zu liefern, während sie andere Probleme lösten.

Zu dieser Zeit gab es einige kleinere Probleme mit der Quantenfeldtheorie und einige Leute bezweifelten, dass die Quantenfeldtheorie unzuverlässig sei. Der Grund war einfach: Wenn sich zwei Teilchen unendlich nahe sind, ist die Wechselwirkungskraft unendlich. In der Geschichte der Physik ist diese Unendlichkeit so furchterregend, dass sie viel Ärger verursacht hat. Nehmen wir zum Beispiel die Schwerkraft. Die Gravitationskraft zwischen zwei Objekten ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung. Einfach ausgedrückt: Je geringer der Abstand, desto größer die Gravitationskraft. Dann werden Sie feststellen, dass die Schwerkraft unendlich ist, wenn sich diese Entfernung 0 nähert. Glücklicherweise gibt es dieses Phänomen in der makroskopischen Welt nicht, da wir nicht unendlich nahe herankommen können, aber bei Partikeln ist das anders. Manche Partikel haben nicht einmal ein Größenkonzept. Der Physiker Landau vermutete damals, dass es bei der Quantenfeldtheorie wahrscheinlich dieses Phänomen der unendlichen Kraft geben würde, und gab ihm sogar den Namen „Landau-Singularität“. Damals nutzten zwei Personen die „Landau-Singularität“ als Ausgangspunkt und wollten beweisen, dass es ein Problem mit der QCD gab. Diese beiden sind Lehrer und Schüler. Der Lehrer heißt Gross und der Schüler heißt Wilczek. Die theoretische Grundlage der QCD ist das Yang-Mills-Eichfeld, also begannen die beiden, das Yang-Mills-Eichfeld zu untersuchen und versuchten zu beweisen, dass es falsch war. Als Ergebnis wurde durch mathematische Deduktion festgestellt, dass in der Mathematik die Wechselwirkungskraft zweier Teilchen im Yang-Mills-Eichfeld, die unendlich nahe beieinander liegen, nicht unendlich ist, sondern im Gegenteil dazu tendiert, infinitesimal zu sein. Innerhalb einer bestimmten Reichweite ist die Kraft umso schwächer, je näher Sie sind. Damals nannte man dieses Phänomen „graduelle Freiheit“. Das heißt, innerhalb eines bestimmten Bereichs gilt: Je näher die Partikel bei ihnen sind, desto freier sind sie. Im Gegenteil: Je weiter sie entfernt sind, desto größer ist die Kraft. Sie veröffentlichten also einen Artikel und fast zur gleichen Zeit kam eine andere Person namens Pollitzer zur gleichen Antwort und veröffentlichte einen Artikel. Diesmal gelang es nicht nur nicht zu beweisen, dass mit der QCD-Theorie etwas nicht stimmte, sondern die QCD wurde dadurch auch berühmt. Denn sobald die Theorie der asymptotischen Freiheit aufgetaucht wäre, würde die Landau-Singularität natürlich nicht auftreten. Darüber hinaus entdeckte man auch, dass die asymptotische Freiheit die Quark-Beschränkung zu erklären schien, das heißt, warum konnten Quarks nicht allein auftreten? Denn je mehr man versucht, die Quarks zu trennen, desto stärker wird die starke Kraft. Dass sie 31 Jahre später, im Jahr 2004, sogar den Nobelpreis für Physik erhielten, hätten die drei nie erwartet, als in Experimenten immer mehr Phänomene der asymptotischen Freiheit entdeckt wurden.

Ist asymptotische Freiheit der wesentliche Grund für die Quark-Confinement? Später versuchte man auch, mit der Stringtheorie die Ursache für die Quark-Confinement zu finden. Die Stringtheorie geht davon aus, dass Quarks durch eine Schnur verbunden sind. Wenn wir versuchen, diese Saite zu durchtrennen, entsteht an der Bruchstelle schnell ein Paar aus positiven und negativen Quarks. Auf diese Weise erhält die Saite einen neuen Endpunkt und bildet ein neues Partikel. Da die Stringtheorie selbst jedoch noch nicht bestätigt wurde, hält diese Erklärung einer genaueren Prüfung natürlich nicht stand. Man hat inzwischen herausgefunden, dass die Quark-Confinement höchstwahrscheinlich durch die Eigenschaften des Vakuums verursacht wird. Ob dies jedoch zutrifft, ist noch immer unbekannt.

Bisher wurden 60 der 61 Elementarteilchen des Standardmodells der Teilchenphysik entdeckt. Lassen Sie uns nachrechnen. Erstens gibt es sechs Arten von Quarks: Up-, Down-, Oddball-, Bottom- und Top-Quarks. Dies sind jedoch nur 6 Geschmacksrichtungen, es gibt auch Farbzuschläge. Es gibt drei Farben, 3x6=18, und dann kommen noch die entsprechenden Antiteilchen dazu, also sind es insgesamt 36 Quarks. Dann gibt es noch 6 Arten von Leptonen, Elektronen, Myonen, Tau sowie elektrische Neutrinos, Myon-Neutrinos, Tau-Neutrinos und deren Antiteilchen, also insgesamt 12 Leptonen. Quarks und Leptonen sind die Teilchen, aus denen Materie besteht, insgesamt 36+12=48. Darüber hinaus gibt es Eichbosonen, die Wechselwirkungskräfte übertragen, darunter 8 Gluonen, die starke Kräfte übertragen, 1 Photon, das elektromagnetische Kräfte überträgt, und drei Typen, W± und Z0, die schwache Kräfte übertragen, also insgesamt 12 Typen, 48+12 sind genau 60 Typen. Warum besteht das aktuelle Standardmodell dann aus 61 Elementarteilchen? Könnte es das Graviton sein? Nein, die Schwerkraft fällt nicht in den Geltungsbereich des Standardmodells, daher zählen Gravitonen nicht und Gravitonen wurden nicht bestätigt. Das letzte Teilchen ist das Higgs-Boson, das als Gottesteilchen bekannt ist. Streng genommen muss das Higgs-Boson existieren, damit das Standardmodell gültig ist. Daher wurde das Higgs-Boson bei der Erstellung des Standardmodells direkt eingesetzt. Doch was ist dieses Gottesteilchen? Kannst du es finden?

Autor: Mama sagt, populärwissenschaftlicher Schöpfer

Gutachter: Luo Huiqian, Associate Researcher, Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Der Artikel wurde vom Science Popularization China-Creation Cultivation Program erstellt. Bei Nachdruck bitten wir um Quellenangabe.