2. Von der Quark-Suppe zur normalen Materie

Quark-Suppe

Nach der Inflationsphase besteht das Universum im Wesentlichen aus einer sich immer weiter ausdehnenden und abkühlenden, dichten Suppe aus Elementarteilchen. Freie Quarks und Gluonen, aber auch die sogenannten Leptonen, unter die zum Beispiel die Elektronen und Myonen fallen, sowie Neutrinos, Photonen und möglicherweise die noch unbekannten Teilchen der Dunklen Materie schwimmen in dieser Suppe. Dazu gehören auch die jeweiligen Antiteilchen. Pausenlos wandeln sich weiterhin alle Teilchen, deren Ruhemasse kleiner ist als die immer niedriger werdende Energieskala, ineinander um. Je kleiner die Temperatur des heißen Universums wird und je näher sie der Ruhemasse einer Teilchensorte kommt, desto mehr überwiegen die Vernichtungsprozesse ihrer Teilchen und Antiteilchen. Zum Schluss sollten sich demzufolge alle Teilchen und Antiteilchen der gleichen Sorte wieder gegenseitig vernichtet haben. Am Ende dürfte eigentlich gar nichts übrigbleiben - aber die Geschichte verläuft gottlob etwas anders.

In der Frühphase des Universums muss sich nämlich eine Symmetriebrechung in das thermische Gleichgewicht eingeschlichen haben, die zu einem winzig kleinen Überschuss von Materie gegenüber der Antimaterie führte. Diese Asymmetrie ist letztendlich für unsere Existenz verantwortlich. Von jeweils etwa einer Milliarde Quark- und Antiquark-Paaren blieb eines übrig, ebenso bei den Elektronen und Positronen. Da dieser Überschuss sowohl bei den Quarks als auch bei den Elektronen in exakt gleicher Form existiert, geht man davon aus, dass die Symmetriebrechung in der elektroschwachen Epoche stattgefunden haben muss, in der die verschiedenen Teilchen noch keine großen Unterschiede aufwiesen.

Nach dem elektroschwachen Phasenübergang besteht die Materie im Universum hauptsächlich aus Quarks und Gluonen. Ein derartiger Materiezustand wird auch als Quark-Gluon-Plasma bezeichnet. Etwa eine Millionstel Sekunde nach dem Urknall hat sich das Universum auf eine Temperatur von 1014 Kelvin abgekühlt. Je kälter die Quark-Gluonen-Suppe wird, desto mehr überwiegen nun die Vernichtungsprozesse von Quarks und Antiquarks; es beginnt das große Quark-Sterben und gleichzeitig die Entstehung der normalen Materie im Universum. Im Standardmodell der Teilchenphysik gibt es sechs verschiedene Quarks und ihre jeweiligen Antiteilchen. Ihnen werden in der Unterteilung verschiedene «Aromen» (flavours) zugeordnet: Up (u), Down (d), Strange (s), Charm (c), Bottom (b) und Top (t). Diese sechs Quarks haben sehr unterschiedliche Massen und eine sehr unterschiedliche Lebensdauern: Das Top-Quark ist das schwerste Quark mit einer Masse, die 173 Protonen (172 GeV) entspricht, und es hat eine extrem kurze Lebensdauer von 10-?25 Sekunden. Es wird deshalb bereits in der elektroschwachen Epoche erzeugt, hat aber keine Zeit, mit anderen Teilchen zu reagieren und spielt folglich im weiteren Verlauf kaum eine Rolle. Bottom- und Charm-Quarks haben Massen von etwa vier bzw. einem Proton und eine Lebensdauer von etwa 10-?12 Sekunden. Die leichten Quarks, nämlich Strange, Down und Up, haben Massen weit unterhalb jener des Protons (10 %, 0.4 %, und 0.2 %) und eine deutlich längere Lebensdauer. Das Strange-Quark lebt ca. 5x 10-?8 Sekunden, das Down-Quark vermutlich einige 100 Sekunden, und das Up-Quark wahrscheinlich unendlich lang. Diese Lebensdauern spielen im weiteren Verlauf der Entstehung von Materie eine wichtige Rolle. Von den ursprünglich in der heißen Quark-Suppe existierenden Quarks sind in der normalen Materie nur noch die Up- und Down-Quarks vorhanden, alle anderen sind längst zerfallen, konnten aber in Beschleunigerexperimenten nachgewiesen werden.

Quarks haben gedrittelte elektrische Ladungen, das Up-, Charm- und Top-Quark jeweils eine Ladung von +? e, und das Down-, Strange- und Bottom-Quark eine Ladung von -? e. Antiquarks haben entsprechend umgekehrte Ladungen. Bei niedrigen Temperaturen können Quarks aber nicht einzeln existieren, sondern verbinden sich immer zu sogenannten Hadronen mit ganzzahligen Ladungen. Als Hadronen werden alle Teilchen bezeichnet, die aus Quarks bestehen, also insbesondere die Baryonen wie Proton und Neutron und die flüchtigen Mesonen, wie die p-Mesonen. Es können sich entweder drei Quarks zu einem Baryon bzw. drei Antiquarks zu einem Antibaryon zusammenschließen oder ein Quark und ein Antiquark zu einem Meson, deren elektrische Ladungen immer ganzzahlig sind.

Nach der Theorie der Quantenchromodynamik (QCD) hat jedes Quark zusätzlich eine Eigenschaft, die analog zur elektrischen Ladung als «Farbladung» bezeichnet wird. Die drei Arten von Farbladungen heißen «rot», «grün» und «blau», und die entsprechenden Antiquarks haben Antifarben: «antirot», «antigrün» und «antiblau». So wie die elektromagnetische Kraft durch Photonen mit elektrischen Ladungen wechselwirkt, reagiert die starke Wechselwirkung durch Gluonen mit der Farbladung. In Wirklichkeit gibt es acht Arten von Gluonen, welche die Kräfte zwischen den sechs verschiedenen Quark-Sorten hin und her transportieren. So wie sich negative und positive elektrische Ladungen zu einem elektrisch neutralen System verbinden (zum Beispiel das Elektron und das Proton zu einem Wasserstoffatom), verbinden sich eine Farbladung und ihre Antifarbe zu einem ungeladenen «weißen» Zustand. Auch die Kombination aus allen drei Farben führt zu einem weißen Zustand, ähnlich wie die Vereinigung von rotem, grünem und blauem Licht weiße Strahlung ergibt. Die Theorie der Quantenchromodynamik ist in dem sehr unterhaltsamen Buch «Vom Urknall zum Zerfall» des Münchner Physikers Harald Fritzsch beschrieben, der selbst wesentlich an ihrer Entwicklung beteiligt war.[4]

Hadronen

Bei niedrigen Temperaturen können Quarks nicht einzeln existieren, sondern werden durch die starke Anziehungskraft der Gluonen zu Gruppen verschiedener Quarks zusammengeschweißt. Diese Eigenschaft liegt auch der Annihilation - also Vernichtung - der meisten Quarks aus der Ursuppe zugrunde. Zunächst entstehen Quark-Teilchenpaare, sogenannte Mesonen, die jeweils aus einem Quark und einem Antiquark bestehen. Da sich nach dem Top die schweren Quarks, Bottom und Charm, wegen ihrer großen Massen als erstes aus der Ursuppe herauslösen, entstehen zunächst die Mesonen-Teilchen Bottomonium und Charmonium, die jeweils aus einem Quark und Antiquark derselben Sorte bestehen, sowie die B-Mesonen aus einem Quark und einem Antiquark verschiedener Sorten unter Beteiligung des Bottom-Quark oder Bottom-Antiquark. Bottomonium und Charmonium haben wie alle anderen Mesonen der gleichen Teilchensorte keine elektrische Ladung und können in kürzester Zeit (etwa 10-?20 Sekunden) durch die elektromagnetische Wechselwirkung in jeweils zwei Photonen verwandelt und damit «annihiliert» werden. Teilchen aus Quarks und Antiquarks unterschiedlicher Sorte können nur durch die schwache Wechselwirkung miteinander reagieren und zerfallen deshalb auf deutlich längeren Zeitskalen von etwa 10-?12 Sekunden in andere elektrisch geladene Teilchen.

Sobald die Temperatur des Universums auf Werte im Bereich von ungefähr 150 MeV fällt, findet ein Phasenübergang vom Quark-Gluon-Plasma in ein Hadron-Gas statt und die normale Materie friert aus. Die sogenannte Hagedorn-Temperatur entspricht der Ruhemassenenergie des leichtesten Hadrons, des p-Mesons. Auf dieser Energieskala reicht die Energie der Photonen nicht mehr aus, um die durch Gluonen und virtuelle Pionen übertragene Anziehungskraft der starken Wechselwirkung zu überwinden. Nun können sich jeweils drei leichtere Up- und Down-Quarks mit der geeigneten Farbladung zu Baryonen zusammenschließen. Zu ihnen gehören die Protonen und Neutronen, also die schon aus dem Schulunterricht bekannten Grundbausteine der Atomkerne und damit der normalen Materie. Das Proton besteht aus zwei Up- und einem Down-Quark (uud), das Neutron aus einem Up- und zwei Down-Quarks (udd). Ein faszinierender ...