Kwark

Cząstki elementarne
leptony e μ τ νe νμ ντ	kwarki u c t d s b
nośniki oddziaływań γ Z0 W± gluon g
hadrony
mezony π K J/ψ ϒ B D	bariony p n Λ Δ Σ Ξ Ω
bozony	fermiony

Kwark – cząstka elementarna, fermion mający 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 $q$. Każdemu kwarkowi odpowiada jego antycząstka, antykwark, oznaczany symbolem $\overline{q}$. Według dzisiejszego stanu wiedzy kwarki są niepodzielne.

Historia

Murray Gell-Mann – współtwórca teorii kwarków

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. Zdanie to wzięło się ze zniekształconego okrzyku "Drei Mark für muster Quark!" (niem. "Trzy marki za znakomity twaróg!"), który James Joyce usłyszał na targu. W cytacie była 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 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 rozpraszać się w taki sposób, jakby zderzały się z punktowymi obiektami wewnątrz protonu. Gdyby ładunek wewnątrz protonu był rozłożony równomiernie, elektrony powinny rozpraszać się pod niewielkimi kątami. Eksperyment natomiast ujawnił nadspodziewanie dużo rozproszeń pod dużymi kątami. 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 rozproszenia niewiele się zmienia).

Doświadczenia te wykazały, że protony (podobnie jak neutrony, o czym przekonano się później) mają 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.

Za potwierdzenie doświadczalne istnienia kwarków uhonorowano w 1990 roku Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki: H.W. Kendalla, J.I. Friedmana i R.E. Taylora.

Właściwości kwarków

Kwarki są cząstkami oddziałującymi silnie. Istotną cechą kwarków jest to, że nie występują one jako cząstki swobodne i nie da się ich oderwać i odizolować. 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	$\simeq$ 0,31		antygórny	$\overline{u}$
dolny	d	1	−½	D = −1	−⅓	4–8	$\simeq$ 0,31		antydolny	$\overline{d}$
dziwny	s	2	0	S = −1	−⅓	80–130	$\simeq$ 0,50		antydziwny	$\overline{s}$
powabny	c	2	0	C = +1	+⅔	1150–1350	$\simeq$ 1,60		antypowabny	$\overline{c}$
spodni	b	3	0	B* = −1	−⅓	4100–4400	$\simeq$ 4,60		antyspodni	$\overline{b}$
szczytowy	t	3	0	T = +1	+⅔	170900±1800	$\simeq$ 180		antyszczytowy	$\overline{t}$

Zapachu B kwarka spodniego b (aby uniknąć kolizji oznaczeń, w tabeli oznaczono B*) nie należy utożsamiać z liczbą barionową B.

Struktura protonu zbudowanego z trzech kwarków: dwóch kwarków górnych "u" i jednego kwarka dolnego "d" (układ uud), związanych silnym oddziaływaniem przenoszonym przez gluony.

Porównanie mas 6 kwarków. Dla porównania po lewej przedstawiono proton i elektron (czerwony punkt)

Spin

Wszystkie kwarki są fermionami, co oznacza, że podlegają statystyce Fermiego-Diraca i mają spin połówkowy $\left( {1 \over 2} \hbar, {3 \over 2} \hbar, {5 \over 2} \hbar, ... \right)$, gdzie $\hbar=\frac{h}{2\pi}$ a h jest stałą Plancka.

Zapach

Wszystkie kwarki opisywane są przez zestaw charakterystycznych wielkości zwanych liczbami kwantowymi. Jedną z nich jest zapach. Mówi się, że dany kwark ma określony zapach, np. kwark s ma cechę zwaną dziwnością ($S= -1$), natomiast kwarki c, b i t charakteryzowane są odpowiednio liczbami kwantowymi C, B i T. Są to "powab" (po ang. charm), "piękno" (beauty) i "prawda" (truth).

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 $m_u\simeq m_d\simeq \frac{m_N}{3}$, gdzie jako $\frac{m_N}{3}$ 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.

Stosunek masy dwóch najlżejszych kwarków u i d wynosi ok 0.56 natomiast stosunek masy kwarka s do masy kwarka d wynosi ok 20.1

$\frac{m_u}{m_d}=0,56\qquad{\rm y}\qquad\frac{m_s}{m_d}=20,1.$

Izospin

Inną wielkością charakterystyczną dla kwarków jest izospin (spin izotopowy) I, wielkość kwantowa wprowadzona już w 1932 roku przez 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 charakteryzujacą 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, $I_3$. Zgodnie z zasadą kwantyzacji przestrzennej, liczba wartości trzeciej składowej izospinu $I_3$ odpowiada liczbie ustawień wektora izospinu w przestrzeni. Kwarki u i d traktuje się jako dublet izospinowy i przypisuje im izospin $I={1 \over 2}$, zaś pozostałe kwarki (s, c, b i t) są izospinowymi singletami ($I=0$).

Ładunek kolorowy

Struktura cząstki omega składająca się z trzech kwarków dziwnych

Kwarkom przypisuje się jeszcze kolejny stopień swobody: 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 między kwarkami zachodzi wymiana kolorów 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) kwarka występuje więc w trzech różnych kolorach. Wyróżnia się zatem następujące kolory kwarków: r (ang. red – czerwony), g (ang. green – zielony) i b (ang. blue – niebieski). Ponieważ oprócz kwarków istnieją antykwarki, należy również przyjąć istnienie antykolorów: r (antyczerwony), g (antyzielony) i b (antyniebieski).

Pozostałe właściwości

Ładunki elektryczne kwarków są ułamkowe i wynoszą $e={2 \over 3}$ lub $e=-{1 \over 3}$. Liczba barionowa każdego kwarka q wynosi $B={1 \over 3}$ a liczba barionowa antykwarka $\overline{q}$ wynosi $B=-{1 \over 3}$.

Antykwarki

Ładunki elektryczne e oraz liczby kwantowe S, C, B i T antykwarków 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	$\overline{u}$	1	−½	U = −1	-⅔	1,5–4,0	$\simeq$ 0,31		górny	u
antydolny	$\overline{d}$	1	+½	D = +1	+⅓	4 – 8	$\simeq$ 0,31		dolny	d
antydziwny	$\overline{s}$	2	0	S = +1	+⅓	80–130	$\simeq$ 0,50		dziwny	s
antypowabny	$\overline{c}$	2	0	C = −1	−⅔	1150–1350	$\simeq$ 1,60		powabny	c
antyspodni	$\overline{b}$	3	0	B* = +1	+⅓	4100 – 4400	$\simeq$ 4,60		spodni	b
antyszczytowy	$\overline{t}$	3	0	T = −1	−⅔	170900±1800	$\simeq$ 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

Ważną cechą kwarków jest to, że nie istnieją one oddzielnie, lecz tylko w hadronach, czyli układach cząstek:

• złożonych z 3 kwarków – bariony
• złożonych z 3 antykwarków – bariony antymaterii
• złożonych z 2 kwarków – jednego kwarka i jednego antykwarka – mezony.

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 $uudd \overline{s}$ i masę ok. 1540 MeV/c².

Ponadto postuluje się również istnienie hadronów zbudowanych z sześciu kwarków, nazwanych dibarionami.

Zobacz też

• Model Standardowy
• leptony
• chromodynamika kwantowa
• symetria unitarna
• pole sił kolorowych
• teoria subkwarków
• pentakwark
• cząstki dziwne
• hadrony

Linki zewnętrzne

• Właściwości kwarków