Kvark

Z Multimediaexpo.eu
Přejít na: navigace, hledání
Soubor:Quark structure proton.png
Proton složený ze dvou "u" kvarků a jednoho "d" kvarku

Kvarky jsou podle standardního modelu částicové fyziky elementární částice, ze kterých se skládají hadrony (tedy například protony a neutrony). Tyto částice mají spin ½ , což znamená, že se jedná o fermiony. Dle standardního modelu časticové fyziky nemají kvarky vnitřní strukturu a jsou spolu s leptony a kalibračními bosony "nejmenší" známé částice, ze kterých se skládá hmota. Baryony (například proton) se skládají ze tří kvarků, mezony (například pion) se skládají z jednoho kvarku a z jednoho antikvarku. Teoreticky byly předpovězené roku 1964 Murray Gell-Mannem (a nezávisle na něm i Georgem Zweigem) ve snaze vysvětlit vlastnosti tehdy známých částic[1], za což roku 1969 dostal Nobelovu cenu za fyziku. Pozdější objevy dalších částic si vyžádaly zavedení dodatečných třech kvarků. V současné době tedy známe šest druhů kvarků.

Historie

Kvarková struktura byla teoreticky předpovězena v roce 1964 (nezávisle na sobě M. Gell-Mann a G. Zweig). O pět let později došlo k potvrzení na lineárním urychlovači SLAC ve Stanfordu při rozptylových experimentech s protony. Kvarky byly dlouho považovány za teoretický nástroj umožňující objasnit chování hadronů a mezonů. Dnes jsou však již chápány jako reálné částice. Název kvark pochází z knihy Finnegans Wake (česky Plačky nad Finneganem) od autora Jamese Joyce. Slovo kvark i jednotlivé názvy pochází od Gell-Manna, který k nim nakreslil i ilustrační obrázky. Již v roce 1974 se objevily první modely počítající s tím, že kvarky se skládají z dalších menších částic, tzv. preonů. Dodnes však pro tyto teorie neexistuje experimentální důkaz, kvarky se chovají jako bodové až do rozměrů řádově [math]10^{-18}[/math] metru a tam je i hranice současných experimentálních možností.

Vlastnosti

Kvarky jsou jediné elementární částice, které podléhají všem známým základním interakcím. Kvarky nelze při nízkých energiích pozorovat jako volné částice (to je důsledek tzv. asymptotické volnosti), ale pouze prostřednictvím rozptylových experimentů a na základě symetrií ve vlastnostech pozorovaných hadronů. Vysoce energetická srážka hadronů však může způsobit jejich „roztavení“ a vznik tzv. kvark-gluonového plazmatu. V něm se kvarky mohou pohybovat volně. Tento stav hmoty měl být ve vesmíru 20-30 mikrosekund po Velkém třesku a lze jej na extrémně krátkou dobu vytvořit v částicovém urychlovači. Kvarky se řadí k fermionům se spinem ½ a baryonovým číslem ⅓. Ke každému kvarku existuje příslušná antičástice - antikvark.

Vůně

Kvarky se rozdělují na šest tzv. vůní.

Symbol Vůně Klidová hmotnost (MeV/c²) Elektrický náboj Projekce Izospinu do 3 osy Podivnost Půvab Krása Pravda Antičástice
d dolů (angl. down) 3,5 - 6[2] -⅓ 0 0 0 0 [math]\overline{d}[/math]
u nahoru (angl. up) 1,5 - 3,3[2] +⅔ 0 0 0 0 [math]\overline{u}[/math]
s podivný (angl. strange) 92,4 ± 1,5[3] -⅓ 0 -1 0 0 0 [math]\overline{s}[/math]
c půvabný (angl. charm) 1270 +70-110[2] +⅔ 0 0 [math]+1[/math] 0 0 [math]\overline{c}[/math]
b spodní (bottom), popř. krásný (angl. beauty) 4200 +170-70[2] -⅓ 0 0 0 -1 0 [math]\overline{b}[/math]
t horní (top), popř. pravdivý (angl. truth) 171300 ± 1100 ±1200[2] +⅔ 0 0 0 0 [math]+1[/math] [math]\overline{t}[/math]

Elektrický náboj, izospin, podivnost, půvab, krása a pravda představují kvantová čísla kvarku. Kvarky řadíme do generací (podobně jako leptony). První generaci tvoří kvarky u a d, druhou generaci tvoří kvarky s, c a třetí generaci tvoří kvarky b a t.

Barevný náboj

Každý z kvarků se navíc může vyskytnou ve třech barvách, jimž přiřazujeme hodnoty červená, zelená nebo modrá. Barvy slouží pouze k určitému označení a představují jistý druh náboje (tzv. barevný náboj). Kvarky však ve skutečnosti v žádném případě nemají žádnou barvu, protože jsou mnohem menší než vlnová délka viditelného světla. Barva má v tomto případě podobný význam jako např. elektrický náboj.

Hadrony

Ze tří kvarků se skládá baryon, a to tak, že každý kvark má jinou barvu, tzn. výsledný baryon je bezbarvý. Baryon tedy může mít hodnotu podivnosti až o velikosti 3. Z kvarku a antikvarku stejné barvy vznikají mezony. Barvy kvarků v mezonu se mění, přičemž pravděpodobnost zachycení kterékoli ze tří barev je stejná, tzn. při sledování mezonu v určitém časovém intervalu se mezon také jeví jako bezbarvý. Kvarky jsou v hadronech vzájemně vázány prostřednictvím gluonů.

Příklady složení částic z kvarků

  • Mezon K(0) je složen z kvarku d (down) a antikvarku [math]\overline{s}[/math] (má podivnost -1)
  • Mezon K(+) je složen z kvarku u (up) a antikvarku [math]\overline{s}[/math] (má také podivnost -1)
  • Mezon K(-) je složen z kvarku s (strange) a antikvarku [math]\overline{u}[/math] (má podivnost +1)
  • Mezonové rezonance K* mají stejné složení jako mezony K.
  • Mezon π(0) má složení [math](u\overline{u} + d\overline{d})/2[/math]
  • Mezon π(+) obsahuje u a [math]\overline{d}[/math]
  • Mezon π(-) obsahuje d a [math]\overline{u}[/math]
  • Mezonové rezonance ρ mají stejné složení jako mezony π
  • Proton p(+) a baryonové rezonance N(+) jsou složeny z kvarků u, u, d
  • Neutron n(0) a baryonové rezonance N(0) jsou složeny z kvarků d, d, u
  • Baryon Δ(++) obsahuje u, u, u
  • Baryon Δ(+) obsahuje u, u, d
  • Baryon Δ(0) obsahuje u, d, d
  • Baryon Δ(-) obsahuje d, d, d
  • Baryon Σ(+) obsahuje u, u, s
  • Baryon Σ(0) a baryon Λ(0)obsahují u, d, s
  • Baryon Σ(-) obsahuje d, d, s
  • Baryon Ξ(0) obsahuje d, s, s
  • Baryon Ξ(-) obsahuje u, s, s
  • Baryon Ω(-) obsahuje s, s, s

Související články

Reference

  1. M. Gell-Mann: A Schematic model of baryons and mesons in Phys. Lett. 8, 1964, 214-215
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 C. Amsler et al. (Particle Data Group), PL B667, 1 (2008) and 2009 partial update for the 2010 edition (URL:http://www-pdg.lbl.gov/2009/tables/rpp2009-sum-quarks.pdf)
  3. DAVIES, C. T. H.; MCNEILE,, C.; WONG, K. Y., E. Follana, R. Horgan, K. Hornbostel, G. P. Lepage, J. Shigemitsu, and H. Trottier Precise Charm to Strange Mass Ratio and Light Quark Masses from Full Lattice QCD. Physical Review Letters [online]. , 2. duben 2010, svazek 104, čís. 13 [cit. 2010-05-04]. Dostupné online. ISSN 1079-7114. DOI:10.1103/PhysRevLett.104.132003.  ( ) 

Externí odkazy