Kwark –
cząstka elementarna
,
fermion
, posiadający
ładunek koloru
(czyli podlegający
oddziaływaniom silnym
). Według obecnej wiedzy
cząstki elementarne
będące składnikami
materii
można podzielić na dwie grupy. Pierwszą grupę stanowią kwarki, drugą grupą są
leptony
. Każda z tych grup zawiera po sześć cząstek oraz ich
antycząstki
. Istnieje więc sześć rodzajów kwarków oraz odpowiednio sześć rodzajów ich
antycząstek
–
antykwarków
.
Za symbol kwarka przyjmuje się literę q. Wszystkie kwarki posiadają swoje antycząstki, nazywane antykwarkami, oznaczane symbolem
. Według dzisiejszego stanu wiedzy kwarki są niepodzielne.
Historia
Hipotezę istnienia kwarków jako elementarnych składników materii wysunęli niezależnie od siebie
Gell-Mann
i
G. Zweig
w
1964
roku. Nazwę zaproponował
Gell-Mann
. Słowo "quark" wyczytał on w zdaniu "Three quarks for Muster Mark!" w powieści
Finnegans Wake
autorstwa
Jamesa Joyce'a
. Spodobało mu się to zdanie, bo była w nim mowa o trzech "kwarkach" – a to właśnie istnienie trzech cząstek:
u
,
d
i
s
oraz ich antycząstek: u, d i s początkowo postulowali.
Szansa na potwierdzenie istnienia kwarków pojawiła się w 1968 podczas eksperymentów z głęboko nieelastycznym rozpraszaniem elektronów[1] w
SLAC
. Przy mniejszych energiach elektrony odbijały się od protonu tak, jakby był on jednorodną elastyczną kulką. Przy wzroście energii zderzeń, gdy pęd elektronów zwiększano na tyle, że długość fali materii tych elektronów stała się mniejsza od rozmiarów protonu, elektrony zaczęły odbijać się tak, jakby zderzały się z punktowymi obiektami wewnątrz protonu. Zderzenia wyglądały więc jak nieelastyczne, bo przy zderzeniach elastycznych, kąt rozproszenia elektronów powinien maleć przy wzroście energii, podczas gdy w istocie pozostawał stały. Jest to efekt
analogiczny
, (niezgodność kąta rozpraszania z oczekiwaniami) jak obserwowany 50 lat wcześniej w
doświadczeniu Rutherforda
.
Siła oddziaływania między kwarkami dąży do nieskończoności dla odległości rzędu 1
fm
, czyli rozmiaru protonu, dlatego hadrony bombardowane coraz większymi energiami w żargonie są coraz 'twardsze' (kąt odbicia się niewiele zmienia)[2].
Doświadczenia te wykazały, że
protony
, i co potem stwierdzono,
neutrony
posiadają wewnętrzną strukturę. Dla opisania zderzeń
hadronów
Richard Feynman
wprowadził w roku
1969
model, w którym hadrony składały się z innych cząstek, nazwanych przez niego
partonami
. Partony Feynmana zostały szybko zidentyfikowane z kwarkami Gell-Manna oraz z
gluonami
, czyli cząstkami, za pośrednictwem których kwarki oddziałują ze sobą.
Wraz z rozwojem fizyki wysokich energii oraz fizyki
cząstek elementarnych
oraz dzięki prowadzonym coraz dokładniejszym badaniom odkrywano kolejne kwarki:
c
,
b
i
t
oraz ich antycząstki: c, b i t.
Wraz z rozwojem wiedzy na temat kwarków, zaistniała potrzeba dodatkowej parametryzacji. Kwarki zostały podzielone na trzy rodziny (generacje). Oprócz tego, stosuje się również inny podział kwarków, na dwie grupy, są to kwarki lekkie:
u
,
d
i
s
i kwarki ciężkie:
c
,
b
i
t
.
Właściwości kwarków
Kwarki są cząstkami
oddziałującymi silnie
. Bardzo ważną cechą kwarków jest fakt, iż nie występują one jako cząstki swobodne, nie da się ich oderwać, odizolować. Inaczej mówimy, iż kwarki są cząstkami uwięzionymi i występują w układach złożonych, które nazwano
hadronami
. Zebrane właściwości kwarków przedstawia poniższa tabela.
Nazwa | Symbol | Generacja | Izospin I | Zapach | Ładunek
e
| Masa prądowa m (
MeV
/
c²
) | Masa konstytuentna M (
GeV
/
c²
) | | Antycząstka | Symbol |
---|
Górny
| u | 1 | +½ | U=+1 | +⅔ | 1,5–4,0[3] | 0,31 | | Antygórny |  |
Dolny
| d | 1 | −½ | D=−1 | -⅓ | 4–8[3] | 0,31 | | Antydolny |  |
Dziwny
| s | 2 | 0 | S=−1 | −⅓ | 80–130[3] | 0,50 | | Antydziwny |  |
Powabny
| c | 2 | 0 | C=+1 | +⅔ | 1150–1350[3] | 1,60 | | Antypowabny |  |
Spodni
| b | 3 | 0 | B*=−1 | −⅓ | 4100–4400[3] | 4,60 | | Antyspodni |  |
Szczytowy
| t | 3 | 0 | T=+1 | +⅔ | 170900 ± 1800[4] | 180 | | Antyszczytowy |  |
Zapachu B kwarka spodniego b (aby uniknąć kolizji oznaczeń, w tabeli oznaczono B*) nie należy utożsamiać z
liczbą barionową
B.
Spin
Wszystkie kwarki są
fermionami
, co oznacza, że podlegają
statystyce Fermiego-Diraca
i posiadają
spin
połówkowy (
), gdzie
a h jest
stałą Plancka
.
Zapach
Wszystkie kwarki opisywane są przez zestaw charakterystycznych wielkości,
liczb kwantowych
. Jedną z tych wielkości jest zapach; mówimy wiec, że kwarki posiadają zapach. I tak kwark s posiada wielkość kwantową, zwaną
dziwność
(S = − 1), kwarki c, b i t posiadają odpowiednio liczby kwantowe C, B i T.
Masa
W związku z faktem uwięzienia kwarków, definicja ich
masy
jest obarczona pewną dowolnością. Dla kwarków definiuje się więc dwa rodzaje
masy
. Pierwsza z nich to tzw. masa konstytuentna M, wyznaczona na podstawie faktu, iż masa
protonu
jest niemal taka sama jak masa
neutronu
. Zdefiniowano więc masę konstytuentną lekkich kwarków
, gdzie jako
oznaczono jedną trzecią część masy
nukleonu
(czyli
protonu
lub
neutronu
). Masy konstytuentne są wartościami szacunkowymi, nie można ich wyznaczyć na drodze bezpośrednich pomiarów. Ponieważ w wysokoenergetycznych zderzeniach cząstek zbudowanych z kwarków możliwe jest oddzielenie kwarków od otaczającej je chmury
gluonów
, wprowadzono drugi rodzaj masy. W wysokoenergetycznych oddziaływaniach
hadronów
należy więc brać pod uwagę tzw. masy prądowe m (ang. current mass) nazywane także masami gołymi. Wartości mas prądowych są mniejsze od wartości mas konstytuentnych.
Izospin
Inną wielkością charakterystyczną dla kwarków jest
izospin
(
spin izotopowy
) I, wielkość kwantowa wprowadzona już w 1932 roku przez
W. Heisenberga
, który początkowo proponował traktowanie
protonu
i
neutronu
jako dwóch stanów, w których występować może jedna cząstka –
nukleon
. Z czasem okazało się również, że izospin jest wielkością, którą można opisać kwarki. Formalizm podobny do tego, jaki stosuje się dla spinu przewiduje, iż multiplet o izospinie I ma 2I+1 składników. Tyle więc wartości przybiera trzecia składowa izospinu, I3. Zgodnie z zasadą kwantyzacji przestrzennej, liczba wartości trzeciej składowej izospinu I3 odpowiada liczbie ustawień wektora izospinu w przestrzeni. Kwarki u i d traktujemy jako dublet izospinowy, przypisujemy im
izospin
, zaś pozostałe kwarki (s, c, b i t) są izospinowymi singletami (I = 0).
Ładunek kolorowy
Ponadto kwarkom przypisuje się kolejny stopień swobody, a mianowicie
kolor
lub
ładunek kolorowy
.
Kolory
kwarków nie maja nic wspólnego z pojęciem koloru w sensie optycznym – stanowią rodzaje ładunków związanych z
oddziaływaniami silnymi
. Kolory nie są przyporządkowane do pojedynczych kwarków w sposób stały, ponieważ kwarki potrafią się wymieniać kolorami w
oddziaływaniach silnych
za pośrednictwem
gluonów
. Wprowadzenie ładunku kolorowego ma swoje uzasadnienie w próbach uratowania
zasady Pauliego
dla niektórych
barionów
. Każdy zapach (u, d, s, c, b, t) kwarku występuje więc w trzech różnych kolorach. Wyróżniamy więc następujące kolory kwarków: r (ang. red – czerwony), g (ang. green – zielony) i b (ang. blue – niebieski). Ponieważ oprócz kwarków istnieją antykwarki, musimy również przyjąć istnienie
antykolorów
: r (antyczerwony), g (antyzielony) i b (antyniebieski).
Pozostałe właściwości
Ładunki elektryczne kwarków są ułamkowe i wynoszą
lub
.
Liczba barionowa
każdego kwarka q wynosi
a
liczba barionowa
antykwarka
wynosi
.
Antykwarki
Dla antykwarków ładunki elektryczne
e
oraz
liczby kwantowe
S, C, B i T mają przeciwne znaki. Zebrane właściwości antykwarków przedstawia poniższa tabela.
Nazwa | Symbol | Generacja | Izospin I | Zapach | Ładunek
e
| Masa prądowa m (
MeV
/
c²
) | Masa konstytuentna M (
GeV
/
c²
) | | Antycząstka | Symbol |
---|
Antygórny |  | 1 | +½ | U=-1 | -⅔ | 1.5 – 4.0[3] | 0.31 | | Górny | u |
Antydolny |  | 1 | +½ | D=+1 | +⅓ | 4 – 8[3] | 0.31 | | Dolny | d |
Antydziwny |  | 2 | 0 | S=+1 | +⅓ | 80 – 130[3] | 0.50 | | Dziwny | s |
Antypowabny |  | 2 | 0 | C=-1 | -⅔ | 1150 – 1350[3] | 1.60 | | Powabny | c |
Antyspodni |  | 3 | 0 | B*=+1 | +⅓ | 4100 – 4400[3] | 4.60 | | Spodni | b |
Antyszczytowy |  | 3 | 0 | T=-1 | -⅔ | 170900 ± 1800[4] | 180 | | Szczytowy | t |
Zapachu B antykwarka antyspodniego b (aby uniknąć kolizji oznaczeń, w tabeli oznaczono B*) nie należy utożsamiać z
liczbą barionową
B.
Układy złożone kwarków
Jak już wspomniano, kwarki nie istnieją samoistnie, lecz tylko w
hadronach
, czyli układach cząstek:
Własności kwarków zostały wyznaczone na podstawie założenia, że cząstki elementarne mogą składać się z dwu lub trzech takich cząstek. Dowodem poprawności teorii było przewidzenie istnienia cząstki Ω-, składającej się z trzech cząstek dziwnych. Prowadzono badania m.in. nad
partonami
, podczas których rozpraszano cząstki na protonach celem ustalenia wewnętrznego rozkładu ładunku tych barionów. Potwierdzono istnienie wewnątrz neutronu obszaru ładunku dodatniego i ujemnego, jakkolwiek kwarki pewnie mogą poruszać się wewnątrz neutronu i układ tarczy dla cząstek rozpraszanych w tych eksperymentach mógł być dla kolejnych cząstek z bombardującej wiązki inny. Wynikająca z eksperymentów ciągłość krzywych wewnętrznego rozkładu ładunków jest zapewne tego skutkiem, ewentualnie cząstek wewnątrz co najmniej tych barionów mogłoby być więcej.
Obecnie prowadzone badania sugerują istnienie tzw.
pentakwarków
, czyli cząstek zbudowanych z pięciu kwarków, a ściślej mówiąc z czterech kwarków i jednego antykwarka. Od roku 2003 przeprowadzono kilka eksperymentów, na podstawie których zasugerowano istnienie pentakwarka, który posiadałby skład kwarkowy
i masę ok. 1540
MeV
/
c²
.
Ponadto postuluje się również istnienie
hadronów
zbudowanych z sześciu kwarków, nazwanych dibarionami.
Zobacz też
Przypisy
- ↑
http://www.physics.ox.ac.uk/documents/PUS/dis/SLAC.htm
Stanford Linear Accelerator Center]
- ↑ Connection of elastomagnetic nucleon form factors at large Q2 and deep inelastic structure near threshold; SLAC-PUB-699 December 1969
- ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 3,8 3,9 Eidelman, S. et al.. Review of Particle Physics. „Physics Letters B”. 592 (1-4), ss. 1-5 (July 15, 2004).
doi:10.1016/j.physletb.2004.06.001
.
- ↑ 4,0 4,1
Summary of Top Mass Results – March 2007
(
ang.
). [dostęp 4 lipca 2007].
Linki zewnętrzne