Alles um uns herum besteht ja aus einigen wenigen Sorten von Elementarteilchen – da sind zum einen die Elektronen, die z.B. für chemische und elektrische Phänomene verantwortlich sind und die meist an Atomkerne gebunden sind. Zum anderen sind da die Bestandteile der Atomkerne – Protonen und Neutronen. Diese bestehen wiederum aus weiteren Elementarteilchen, den Quarks.
Quarks gibt es zunächst mal in unterschiedlichen Sorten. In unserer gewöhnlichen Materie finden wir sogenannte up- und down-Quarks. (Die Namen haben hier keine besondere Bedeutung.) Dann gibt es noch die Quarksorten “charm” und “strange” sowie “top” und “bottom” (früher auch gern als “truth” und “beauty” bezeichnet, aber das hat sich nicht durchgesetzt). Drei Quarks können sich zusammentun und eben Teilchen wie Protonen oder Neutronen bilden – ein Proton besteht aus uud (also zwei up- und einem down-Quark), ein Neutron aus udd. Teilchen, die die anderen Quark-Sorten beinhalten, sind nur für sehr kurze Zeit stabil, weil diese Quarks schnell zerfallen. Das Λ-Teilchen zum Beispiel hat die Zusammensetzung uds, aber das s-Quark zerfällt innerhalb von weniger als einer Nanosekunde, und so wird aus dem Λ-Teilchen beispielsweise ein Proton sowie ein anderes Teilchen, das Pion (gucken wir uns gleich an).
Quarks sind elektrisch geladen. In Einheiten der Elektronenladung ist das up-Quark mit einer Ladung von +2/3 versehen, das down-Quark mit -1/3. (Ihr könnt jetzt nachprüfen, dass das für Proton und Neutron passt – beim Proton ist die Gesamtladung +2/3+2/3-1/3=1; beim Neutron +2/3-1/3-1/3=0). Da stellt sich natürlich sofort die Frage, was eigentlich das Proton zusammenhält – immerhin haben wir hier zwei elektrisch gleich geladene Teilchen auf engstem Raum eingesperrt (ein Proton hat einen Durchmesser von so etwa 1.5 Femtometer, also 1,5 mal einem tausendstel billionstel Meter – etwa 100000 mal kleiner als der Durchmesser eines Atoms). Warum fliegt das Proton nicht auseinander? Das bisschen negative Ladung des down-Quarks reicht ja nicht aus, um die positive Ladung zu kompensieren, es muss also etwas anderes geben, das das Proton zu einem stabilen Teilchen macht und am Explodieren hindert.
Dieses “etwas” ist eine weitere Ladung, die die Quarks tragen. Man bezeichnet sie als “Farbladung” – mit echter Farbe hat sie nichts zu tun, der Name ist aber insofern gut gewählt, weil es eine schöne Analogie zwischen dem Verhalten dieser Ladung und dem Verhalten von Farben bei der (additiven) Farbmischung gibt (additiv heißt, dass man Licht mischt, nicht Farbstoffe, wie beim Tuschen, das wäre subtraktive Farbmischung).
Bei der elektrischen Ladungen haben wir ja zwei Ladungstypen, die wir als “plus” und “minus” bezeichnen. Entgegengesetzt geladene Teilchen ziehen sich an – in einem einfachen Bild kann man sich das dadurch vorstellen, dass sie miteinander Teilchen austauschen, nämlich Photonen. In diesem Bild sendet das eine Teilchen ein Photon aus, das andere absorbiert es. (Wer es – sehr viel – genauer wissen will, kann rechts bei den Artikelserien klicken, da gibt es meine von mir oft angepriesene Serie zur Quantenfeldtheorie, in der ihr erfahrt, warum entgegengesetzte Ladungen sich anziehen und wie das mit dem Teilchenaustausch genau funktioniert.) Bei Austauschen des Photons verändern sich die beiden Teilchen selbst nicht, weil das Photon selbst keine elektrische Ladung hat. Das Elektron ist also hinterher immer noch negativ, das Proton positiv.
Addieren sich elektrische Ladungen der Bestandteile eines Teilchens zu Null, dann ist das Teilchen elektrisch neutral – so wie unser Neutron mit seinen drei Quarks, die in der Summe eine Ladung von Null ergeben. Das Neutron als ganzes reagiert also zum Beispiel nicht auf elektrische Felder – deswegen kann man sie zum Beispiel auch nicht in einem elektrischen Feld beschleunigen wie beispielsweise Protonen oder Elektronen.
Bei der Farbladung ist es ähnlich wie beim Neutron, aber komplizierter. In einem Proton oder Neutron findet man drei Quarks in unterschiedlichen Farbe – rot, blau und grün. Genau wie bei der Lichtmischung ist der Zustand als ganzes dann “weiß”, also farbneutral. Die unterschiedlichen Farbladungen ziehen sich dabei gegenseitig an, genauso wie die unterschiedlichen elektrischen Ladungen. Allerdings sind die Austauschteilchen (die den doofen Namen “Gluonen” tragen, weil sie die Protonen und Neutronen zusammenkleben, “Haeronen” oder “Kollonen” hätte doch viel cooler geklungen, aber da hatte wohl gerade niemand ein Latein- oder Griechsich-Lexikon in der Nähe…), also, die Austauschteilchen sind selbst auch geladen. Wenn also ein Quark ein Gluon aussendet, ändert es dabei seine Farbe:
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