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:

• złożonych z 3 kwarków – bariony
• złożonych z 3 antykwarków – bariony antymaterii
• złożonych z 2 kwarków – jednego kwarku i jednego antykwarku – 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 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

Przypisy

Linki zewnętrzne

• Właściwości kwarków