Werden Elektronen aus Quarks gebildet?

Frage: Ich habe schon oft von Quarks gelesen. Die Protonen und Neutronen werden mit den Quarks gebildet. Warum nicht die Elektronen? In der Schule kann mir keiner wirklich erklären, wie ich mir diese Quarks vorstellen kann. Auch mein Physiklehrer nicht so richtig. Teilchen sind sie nicht; Energie? Wie kann ich sie mir besser vorstellen?
von: Karl am 16.01.2011

Antwort: Neutronen und Protonen sind die Bestandteile der Atomkerne und werden auch als Nukleonen bezeichnet. Auf Grund ihrer hohen Masse gehören sie zur Teilchenfamilie der Baryonen (griechisch: barys, schwer). Das Elektron wird auf Grund seiner geringen Masse der Teilchenfamilie der Leptonen zugeordnet (griechisch: leptos, dünn, klein). Das Elektron ist 1836-mal leichter als das Proton.

Durch die Streuung von hochenergetischen Elektronen an Protonen und Neutronen konnte gezeigt werden, dass diese eine innere Struktur besitzen. So konnte etwa eine räumlich ausgedehnte Ladungsverteilung nachgewiesen werden. Elektronen zeigen in Experimenten hingegen keine innere Struktur.

Die Theorie der Quarks wurde in den 1960er Jahren entwickelt. Nach dieser Theorie bestehen Baryonen (Protonen, Neutronen, ...) aus drei Quarks. Das Elektron besteht nicht aus Quarks, sondern ist selbst ein Elementarteilchen. Durch Streu-Experimente wurden in Protonen und Neutronen drei Streuzentren nachgewiesen, und so der innere Aufbau durch drei Quarks experimentell bestätigt.

Quarks verhalten sich ähnlich wie Elektronen als Punktladungen, jedoch tragen sie entweder -1/3 oder +2/3 der Ladung des Elektrons. Zwischen Quarks wirkt eine Anziehungskraft, die mit dem Abstand zunimmt (beachte, dass jede andere bekannte Anziehungskraft mit der Entfernung abnimmt). Wegen dieses Abstandsgesetzes ist es nicht möglich, Quarks als freie Teilchen zu beobachten.

Beantwortet von Prof. Hans Kosina, Professor am Institut für Mikroelektronik an der TU Wien.