alternativtext=Die Abbildung zeigt ein Proton, welches aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark bestehen. Die Quarks sind alle mit dem jeweils anderen verbunden.|mini|314x314px|Quarks innerhalb eines Protons Ein Proton besteht aus zwei Up-Quarks, einem Down-Quark sowie den Gluonen, die die Kräfte vermitteln, die sie mit­einander verbinden. Die Farb­ladungen der einzelnen Quarks, willkürlich „Rot“, „Blau“ und „Grün“ genannt, wechseln durch Gluonen­austausch fortwährend, wobei sich die Farben insgesamt stets aufheben („weiß“). +Klassifika­tionElementarteilchenStatistikFermionischGeneration1., 2., 3.Wechsel­wirkungenElektromagnetismus, Gravitation, stark, schwachSymbolAntiteilchenAntiquark ()Theoreti­siertMurray Gell-Mann (1964), George Zweig (1964)EntdecktSLAC (c. 1968)Arten6 (up, down, strange, charm, bottom und top)Elektrische Ladung, FarbladungJaSpin½Baryonen­zahl⅓ Quarks ([], [] oder []) sind Elementarteilchen und fundamentale Bestandteile der Materie. Quarks verbinden sich zu zusammengesetzten Teilchen, die Hadronen genannt werden. Hierzu gehören die Protonen und Neutronen, die Bestandteile der Atomkerne. Aufgrund eines Phänomens, das als Confinement bekannt ist, werden Quarks nie isoliert gefunden, sondern nur gebunden in Hadronen oder in Quark-Gluon-Plasmen.

Quarks sind die einzigen Elementarteilchen im Standardmodell der Teilchenphysik, die allen vier fundamentalen Wechselwirkungen (starke Wechselwirkung, Elektromagnetismus, schwache Wechselwirkung, Gravitation) unterliegen, sowie die einzigen Teilchen, deren elektrische Ladungen keine ganzzahligen Vielfachen der Elementarladung sind.

Es gibt sechs Arten von Quarks, die als „Flavours“ bezeichnet werden: up, down, charm, strange, top und bottom. Protonen und Neutronen sind aus Up- und Down-Quarks zusammengesetzt, den Quarks mit der mit Abstand geringsten Masse. Die schwereren Quarks treten nur in sehr kurzlebigen Hadronen auf, die bei hochenergetischen Kollisionen (z. B. mit kosmischer Strahlung und in Teilchenbeschleunigern) entstehen und durch die Schwache Wechselwirkung zerfallen. Zu jedem Quark-Flavour gibt es das entsprechende Antiteilchen (Antiquark), dessen elektrische Ladung und andere Quantenzahlen entgegengesetzte Vorzeichen haben.

Eigenschaften Gene-rationNameSym­bolLadungFlavour-Quanten­zahlMasse(MeV)In der Teilchenphysik wird oft in natürlichen Einheiten gerechnet, wobei Massen aufgrund der Äquivalenz von Masse und Energie E0 = mc2 in der Energieeinheit Elektronenvolt (eV) angegeben werden. Dabei entspricht 1 MeV einer Masse von ca. 1,8 · 10−30 kg.1Downd− eIz = −4,70 ± 0,07Upu + eIz = +2,16 ± 0,072Stranges− eS = −193,5 ± 0,8Charmc + eC = +11273,0 ± 4,63Bottomb− eB′ = −14183 ± 7 Topt + eT = +1172570 ± 290

Flavours Die Quarks treten in sechs „Flavours“ (, amerik. Englisch flavor) auf, genannt up (u), down (d), strange (s), charm (c), bottom (b) und top (t). Diese Flavours werden durch die Quantenzahlen Isospin (I), Strangeness (S), Charm (C), Bottomness (B′) und Topness (T) beschrieben.

Die Flavours unterscheiden sich bezüglich der Masse, der elektrischen Ladung und der schwachen Wechselwirkung; andere Eigenschaften, wie Spin und Farbladung, haben alle Flavours gleichermaßen. Die sechs Flavours werden in drei „Generationen“ gruppiert. Alle Suchen nach einer vierten Generation von Quarks und anderen elementaren Fermionen sind gescheitert, und es gibt starke indirekte Hinweise darauf, dass nicht mehr als drei Generationen existieren.

Antiteilchen von Quarks werden Antiquarks genannt und durch einen Querstrich über dem Symbol für das entsprechende Quark bezeichnet, z. B. für ein up-Antiquark. Wie bei der Antimaterie im Allgemeinen haben Antiquarks die gleiche Masse, mittlere Lebensdauer und Spin wie ihre jeweiligen Quarks, aber die elektrische Ladung und andere Ladungen haben das entgegengesetzte Vorzeichen.

Masse mini|Massen der Quarks im Vergleich, dargestellt als Kugeln mit proportionalem Volumen. Proton (grau) und Elektron (rot) sind in der unteren linken Ecke als Maßstab dargestellt. Die sechs Flavours (Sorten) von Quarks haben sehr unterschiedliche Massen. Die Masse von Up- und Down-Quark beträgt nur wenige MeV/c2; das Top-Quark als mit großem Abstand schwerstes Quark hat eine Masse von rund  MeV/c2. (Zum Vergleich: das Elektron hat eine Masse von 0,5 MeV/c2.) Die drei Quarks mit der geringsten Masse (d, u, s) werden summarisch als „leichte Quarks“ bezeichnet.

Spin Der Spin ist eine intrinsische Eigenschaft von Elementarteilchen und seine Richtung ist ein wichtiger Freiheitsgrad. Er wird manchmal als die Rotation eines Objekts um seine eigene Achse visualisiert (daher der Name „Spin“), obwohl diese Vorstellung auf subatomaren Skalen etwas irreführend ist, da Elementarteilchen als punktförmig angesehen werden. Quarks haben den Spin ½ ℏ (wobei ℏ die reduzierte Planck-Konstante ist). Sie sind also Fermionen (Teilchen mit halbzahligem Spin).

Parität Als Fermionen haben Quark und Antiquark entgegengesetzte intrinsische Parität. Da Quarks nur als q-Paare erzeugt und vernichtet werden können, ist die Wahl des Vorzeichens beliebig. Konventionsgemäß schreibt man Quarks positive und Antiquarks negative Parität zu.

Farbladung Quarks besitzen eine so genannte „Farbladung“. Dadurch unterliegen die Quarks, wie weiter unten erläutert, der starken Wechselwirkung. Eine weitere Konsequenz ist, dass Quarks nie isoliert auftreten können (Confinement).

Elektrische Ladung Quarks haben drittelzahlige elektrische Ladungswerte. Up-, Charm- und Top-Quarks haben eine Ladung von + e, während Down-, Strange- und Bottom-Quarks eine Ladung von − e haben. Die Antiquarks haben jeweils die entgegengesetzte Ladung zu ihren entsprechenden Quarks, also − e bzw. + e. Quarks kombinieren sich aber immer so zu Hadronen, dass die Gesamtladung ganzzahlig ist: Die Kombination von drei Quarks (Baryonen), drei Antiquarks (Antibaryonen) oder einem Quark und einem Antiquark (Mesonen) führt immer zu ganzzahligen Ladungen. Neutronen und Protonen, die Bestandteile des Atomkerns, haben zum Beispiel die Ladungen 0 e bzw. +1 e: Das Neutron besteht aus zwei Down-Quarks und einem Up-Quark, das Proton aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark.

Baryonenzahl Im Gegensatz zu Mesonen können Baryonen nicht beliebig erzeugt oder vernichtet werden, sondern nur entweder in ein anderes Baryon umgewandelt werden oder paarweise als Baryon und Antibaryon entstehen oder annihilieren. Dieses Verhalten wird mit einer Quantenzahl, der Baryonenzahl B beschrieben, die man den Baryonen (B = +1) und Antibaryonen (B = −1) zuordnet und die stets erhalten bleibt. Daraus lässt sich direkt ein analoger Erhaltungssatz für Quarks und Antiquarks ableiten, denen man entsprechend die Baryonenzahl + und − zuordnet. Eine Nichterhaltung der Baryonenzahl (z. B. durch Umwandlung eines Quarks in Nicht-Quarks) wird in theoretischen Erweiterungen des Standardmodells diskutiert, hat aber bislang keine experimentelle Grundlage.

Größe In der Quantenchromodynamik (QCD) werden Quarks als punktförmige Entitäten betrachtet, mit einer Größe von Null. Bislang konnten keine Hinweise für eine von Null abweichende Größe gefunden werden. Experimentelle Befunde liefern eine obere Grenze von 10−19 m, was dem 10−4-Fachen der Größe eines Protons entspricht.

Quarks sind nach heutigem Wissensstand elementar. Es gibt zwar Überlegungen, dass Quarks und Leptonen aus „noch elementareren“ Bausteinen, so genannten Präonen zusammengesetzt sein könnten – analog zu den Atomen und zu den Hadronen, die ursprünglich auch als elementar galten. Dies ist aber reine Spekulation; es gibt keinerlei experimentelle Hinweise auf eine Substruktur.

Einordnung im Standardmodell mini|270x270px|Elementarteilchen des Standardmodells Sechs der Teilchen im Standardmodell sind Quarks (in blau dargestellt). Jede der ersten drei Säulen bildet eine Generation von Materie. Quarks Austauschteilchen Leptonen Higgs-Boson

Das Standardmodell ist der theoretische Rahmen, der alle bekannten Elementarteilchen beschreibt. Dieses Modell enthält neben den sechs Flavours von Quarks auch die Leptonen. Zwischen Leptonen und Quarks bestehen auffällige Parallelen: Beide sind Spin-½-Teilchen, unterliegen damit als Fermionen dem Pauli-Ausschlussprinzip, das besagt, dass keine zwei identischen Fermionen gleichzeitig den gleichen Quantenzustand einnehmen können. Beide kann man in drei Generationen einteilen, die jeweils aus zwei Leptonen bzw. zwei Quarks bestehen, die sich in der elektrischen Ladung um 1 e unterscheiden. Die Summe der Ladungen aller Teilchen einer Generation ist Null, zum Beispiel in der 1. Generation: Elektron, Elektron-Neutrino, jeweils drei Farbzustände von Up- und Down-Quark: −1 + 0 + 3·(⅔–⅓) = 0. Auch bezüglich der schwachen Wechselwirkung verhalten sich Leptonen und Quarks analog.

Gewöhnliche Materie besteht aus Quarks der ersten Generation (up und down) sowie Elektronen. Schwerere Quarks können nur in hochenergetischen Kollisionen (z. B. mit kosmischer Strahlung) entstehen und zerfallen schnell. Man nimmt an, dass sie in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall vorhanden waren, als sich das Universum in einer extrem heißen und dichten Phase befand. Untersuchungen von schwereren Quarks werden unter künstlich geschaffenen Bedingungen, z. B. in Teilchenbeschleunigern, durchgeführt.

Mit Farbladung, elektrischer Ladung, Flavour und Masse sind Quarks die einzigen bekannten Elementarteilchen, die an allen vier fundamentalen Wechselwirkungen der heutigen Physik beteiligt sind: starke Wechselwirkung, Elektromagnetismus, schwache Wechselwirkung und Gravitation.

Starke Wechselwirkung Farbladung mini|200px|Alle Arten von Hadronen (qqq, , q) haben insgesamt die Farbladung Null.

Quarks besitzen eine Eigenschaft, die Farbladung genannt wird. Es gibt drei Arten von Farbladungen, die willkürlich als „blau“, „grün“ und „rot“ bezeichnet werden. Jede von ihnen wird durch eine Antifarbe ergänzt – „antiblau“, „antigrün“ und „antirot“. Jedes Quark trägt eine Farbe, während jedes Antiquark eine Antifarbe trägt. Teilchen mit Farbladung unterliegen einer Kraft, die als „starke Wechselwirkung“ bezeichnet wird. Die Theorie, die diese Wechselwirkung beschreibt, wird Quantenchromodynamik (QCD) genannt.

Eine Farbladung und ihre Antifarbe (z. B grün und antigrün) heben sich zu einem ungeladenen („weißen“) Zustand auf. Dies ist analog zur elektromagnetischen Wechselwirkung, bei der eine positive und eine negative Ladung insgesamt zu einem ungeladenen System führen. Eine Kombination aus den drei Farben oder aus den drei Antifarben ist ebenfalls „weiß“. Dies erinnert an das additive Farbmodell in der Grundlagenoptik und war der Grund für die Bezeichnung „Farbladung“.

Bildung von Hadronen Aus Quarks zusammengesetzte Teilchen werden Hadronen genannt. Man unterscheidet dabei zwischen Mesonen (Hadronen mit ganzzahligem Spin) und Baryonen (Hadronen mit halbzahligem Spin). Es ist eine empirische (und mittlerweile theoretisch gut untermauerte) Tatsache, dass nur farbneutrale („weiße“) Teilchen isoliert existieren können. Dies sind Quark-Antiquark-Kombinationen (qq – Mesonen), Kombinationen aus drei Quarks (qqq – Baryonen) oder drei Antiquarks (qqq – Antibaryonen), nicht aber einzelne Quarks. Dieses Phänomen nennt man „Confinement“ (siehe Abschnitt unten). Ein Nebeneffekt dieser Einschränkung ist, dass Hadronen immer ganzzahlige elektrische Ladungen tragen.

Es ist eine dreistellige Anzahl von Hadronen bekannt (siehe Liste der Baryonen und Liste der Mesonen), die sich durch unterschiedliche Valenzquarks und unterschiedliche Quantenzahlen (Bahndrehimpuls, Spinrichtung, radiale Anregung …) erklären lassen. Die mit Abstand wichtigsten Baryonen sind das Proton und das Neutron, die Bausteine des Atomkerns. Im frühen 21. Jahrhundert wurden „exotische Hadronen“ mit anderer Zusammensetzung entdeckt: Tetraquarks (qq) und Pentaquarks (qqqq). Auch diese sind farbneutral.

Kopplung durch Gluonen