Twaróg -Quark

twaróg
Trzy kolorowe kulki (symbolizujące kwarki) połączone parami sprężynami (symbolizujące gluony), wszystkie wewnątrz szarego koła (symbolizującego proton).  Kolory kul to czerwony, zielony i niebieski, aby odpowiadały kolorom ładunku każdego kwarka.  Czerwona i niebieska kula są oznaczone jako "u" (od kwarka "górnego"), a zielona jako "d" (od kwarka "dolnego").
Proton składa się z dwóch kwarków górnych , jednego dolnego i gluonów , które pośredniczą w siłach "wiążących" je ze sobą. Przypisanie kolorów do poszczególnych kwarków jest dowolne, ale wszystkie trzy kolory muszą być obecne; czerwony, niebieski i zielony są używane jako analogia do kolorów podstawowych, które razem tworzą kolor biały.
Kompozycja cząstka elementarna
Statystyka fermionowy
Pokolenie 1., 2., 3.
Interakcje silny , słaby , elektromagnetyczny , grawitacyjny
Symbol
q
Antycząstka antykwark (
q
)
Teoretyzowana
Odkryty SLAC (ok. 1968)
Rodzaje 6 ( góra , dół , dziwny , urok , dół i góra )
Ładunek elektryczny + 2/3 e , −1/3 mi
Opłata kolor tak
Obracać 1/2
Liczba barionowa 1/3

Kwark ( / k w ɔːr k , k w ɑːr k / ) jest rodzajem cząstki elementarnej i podstawowym składnikiem materii . Kwarki łączą się, tworząc cząstki kompozytowe zwane hadronami , z których najbardziej stabilnymi są protony i neutrony , będące składnikami jąder atomowych . Cała powszechnie obserwowalna materia składa się z kwarków górnych, dolnych i elektronów . Ze względu na zjawisko znane jako ograniczenie koloru kwarki nigdy nie występują w izolacji; można je znaleźć tylko w hadronach, do których należą bariony (takie jak protony i neutrony) i mezony , lub w plazmach kwarkowo-gluonowych . Z tego powodu wiele informacji o kwarkach zaczerpnięto z obserwacji hadronów.

Kwarki mają różne właściwości wewnętrzne , w tym ładunek elektryczny , masę , ładunek barwny i spin . Są jedynymi cząstkami elementarnymi w Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych , które doświadczają wszystkich czterech oddziaływań fundamentalnych , znanych również jako siły fundamentalne ( elektromagnetyzm , grawitacja , oddziaływanie silne i oddziaływanie słabe ) , a także jedyne znane cząstki , których ładunki elektryczne nie są całkowite wielokrotności ładunku elementarnego .

Istnieje sześć rodzajów kwarków , znanych jako smaki : górny , dolny , urok , dziwny , górny i dolny . Kwarki górny i dolny mają najmniejsze masy ze wszystkich kwarków. Kwarki cięższe szybko zmieniają się w kwarki górne i dolne w procesie rozpadu cząstek : transformacji ze stanu o wyższej masie do stanu o niższej masie. Z tego powodu kwarki górny i dolny są ogólnie stabilne i najczęściej występują we wszechświecie , podczas gdy kwarki dziwne, powabne, dolne i górne mogą powstawać tylko w zderzeniach o wysokiej energii (takich jak te z udziałem promieni kosmicznych i akceleratorów cząstek ). Każdemu smakowi kwarka istnieje odpowiedni typ antycząstki , znany jako antykwark , który różni się od kwarka tylko tym, że niektóre jego właściwości (takie jak ładunek elektryczny) mają taką samą wielkość, ale przeciwny znak .

Model kwarków został niezależnie zaproponowany przez fizyków Murraya Gell-Manna i George'a Zweiga w 1964 roku. Kwarki zostały wprowadzone jako części schematu porządkowania hadronów i niewiele było dowodów na ich fizyczne istnienie aż do eksperymentów z głębokim rozpraszaniem nieelastycznym w Stanford Linear Accelerator Center w 1968 roku. Eksperymenty z programem akceleracyjnym dostarczyły dowodów na wszystkie sześć smaków. Kwark górny, po raz pierwszy zaobserwowany w Fermilab w 1995 roku, był ostatnim odkrytym.

Klasyfikacja

Tablica cząstek cztery na cztery.  Kolumny to trzy generacje materii (fermiony) i jedna sił (bozony).  W pierwszych trzech kolumnach dwa wiersze zawierają kwarki i dwa leptony.  Kolumny dwóch górnych wierszy zawierają kwarki górny (u) i dolny (d), powabny (c) i dziwny (s), górny (t) i dolny (b) oraz foton (γ) i gluon (g) , odpowiednio.  Kolumny w dwóch dolnych rzędach zawierają neutrino elektronowe (ν sub e) i elektron (e), neutrino mionowe (ν sub μ) i mionowe (μ) oraz neutrino tau (ν sub τ) i tau (τ) oraz Z sup 0 i W sup ± siła słaba.  Masa, ładunek i spin są wymienione dla każdej cząstki.
Sześć cząstek w Modelu Standardowym to kwarki (pokazane na fioletowo). Każda z pierwszych trzech kolumn tworzy pokolenie materii.

Model Standardowy to teoretyczne ramy opisujące wszystkie znane cząstki elementarne . Ten model zawiera sześć smaków kwarków (
q
) , nazwany (
ty
), w dół (
d
), dziwne (
s
), urok (
c
), dół (
b
) i na górze (
t
). Antycząstki kwarków nazywane są antykwarkami i są oznaczone kreską nad symbolem odpowiedniego kwarka, na przykład
ty
dla górnego antykwarku. Podobnie jak w przypadku antymaterii w ogóle, antykwarki mają taką samą masę, średni czas życia i spin jak ich odpowiednie kwarki, ale ładunek elektryczny i inne ładunki mają przeciwny znak.

Kwarki są spin-1/2cząstki, co oznacza, że ​​są fermionami zgodnie z twierdzeniem o statystyce spinowej . Podlegają one zasadzie wykluczenia Pauliego , która mówi, że żadne dwa identyczne fermiony nie mogą jednocześnie zajmować tego samego stanu kwantowego . Jest to przeciwieństwo bozonów (cząstek o spinie całkowitym), których dowolna liczba może być w tym samym stanie. W przeciwieństwie do leptonów kwarki posiadają ładunek kolorowy , co powoduje, że wchodzą w oddziaływanie silne . Wynikające z tego przyciąganie między różnymi kwarkami powoduje powstawanie cząstek kompozytowych znanych jako hadrony (patrz poniżej " Oddziaływanie silne i ładunek kolorowy ").

Kwarki określające liczby kwantowe hadronów nazywane są kwarkami walencyjnymi ; poza tym każdy hadron może zawierać nieskończoną liczbę wirtualnychmorskich ” kwarków, antykwarków i gluonów , które nie wpływają na jego liczby kwantowe. Istnieją dwie rodziny hadronów: bariony z trzema kwarkami walencyjnymi oraz mezony z kwarkiem walencyjnym i antykwarkiem. Najpopularniejszymi barionami są proton i neutron, elementy budulcowe jądra atomowego . Znana jest duża liczba hadronów (patrz lista barionów i lista mezonów ), większość z nich różni się zawartością kwarków i właściwościami nadanymi przez te kwarki. Istnienie „egzotycznych” hadronów z większą ilością kwarków walencyjnych, takich jak tetrakwarki (
q

q

q

q
) i pentakwarków (
q

q

q

q

q
), przypuszczono od początków modelu kwarków, ale odkryto go dopiero na początku XXI wieku.

Fermiony elementarne dzielą się na trzy generacje , z których każde składa się z dwóch leptonów i dwóch kwarków. Pierwsza generacja obejmuje kwarki górny i dolny, drugą kwarkę dziwną i powabną oraz trzecią kwarki dolny i górny. Wszystkie poszukiwania czwartej generacji kwarków i innych elementarnych fermionów nie powiodły się, a istnieją mocne pośrednie dowody na to, że istnieją nie więcej niż trzy pokolenia. Cząstki wyższych generacji na ogół mają większą masę i mniejszą stabilność, co powoduje ich rozpad na cząstki niższej generacji w wyniku oddziaływań słabych . W przyrodzie powszechnie występują tylko kwarki pierwszej generacji (górny i dolny). Cięższe kwarki mogą powstawać tylko w zderzeniach wysokoenergetycznych (takich jak te z udziałem promieni kosmicznych ) i szybko się rozpadają; uważa się jednak, że były one obecne w pierwszych ułamkach sekundy po Wielkim Wybuchu , kiedy Wszechświat znajdował się w skrajnie gorącej i gęstej fazie ( epoka kwarków ). Badania cięższych kwarków prowadzone są w sztucznie stworzonych warunkach, np. w akceleratorach cząstek .

Posiadając ładunek elektryczny, masę, ładunek barwny i smak, kwarki są jedynymi znanymi cząstkami elementarnymi, które angażują się we wszystkie cztery podstawowe oddziaływania współczesnej fizyki: elektromagnetyzm, grawitację, oddziaływanie silne i oddziaływanie słabe. Grawitacja jest zbyt słaba, aby mieć znaczenie dla interakcji poszczególnych cząstek, z wyjątkiem ekstremów energii (energia Plancka ) i skali odległości ( odległość Plancka ). Ponieważ jednak nie istnieje żadna udana kwantowa teoria grawitacji , grawitacja nie jest opisywana przez Model Standardowy.

Zobacz tabelę właściwości poniżej, aby uzyskać pełniejszy przegląd właściwości sześciu smaków twarogu.

Historia

Murray Gell-Mann (2007)
Jerzy Zweig (2015)

Model kwarków został niezależnie zaproponowany przez fizyków Murraya Gell-Manna i George'a Zweiga w 1964 roku. Propozycja ta pojawiła się wkrótce po sformułowaniu przez Gell-Manna w 1961 roku systemu klasyfikacji cząstek znanego jako Ośmioraka Droga – lub, bardziej technicznie, SU(3) symetria smaku , usprawniająca jego strukturę. Fizyk Yuval Ne'eman niezależnie opracował w tym samym roku schemat podobny do Ośmiorakiej Drogi. Wczesna próba organizacji założycielskiej była dostępna w modelu Sakata .

W momencie powstania teorii kwarków, „ zoo cząstek ” obejmowało między innymi wiele hadronów . Gell-Mann i Zweig założyli, że nie są to cząstki elementarne, lecz złożone z kombinacji kwarków i antykwarków. Ich model obejmował trzy rodzaje kwarków, górny , dolny i dziwny , którym przypisywali takie właściwości, jak spin i ładunek elektryczny. Początkowa reakcja społeczności fizyków na propozycję była mieszana. Istniała szczególna spór o to, czy kwark jest bytem fizycznym, czy tylko abstrakcją używaną do wyjaśniania pojęć, które nie były w pełni rozumiane w tamtym czasie.

W niecały rok zaproponowano rozszerzenie modelu Gell-Manna-Zweiga. Sheldon Glashow i James Bjorken przewidzieli istnienie czwartego smaku kwarku, który nazwali urokiem . Dodanie zostało zaproponowane, ponieważ pozwoliło na lepszy opis słabego oddziaływania (mechanizmu umożliwiającego rozpad kwarków), zrównało liczbę znanych kwarków z liczbą znanych leptonów i implikowało wzór na masę, który poprawnie odtwarzał masy znane mezony .

Eksperymenty z głębokim rozpraszaniem nieelastycznym przeprowadzone w 1968 roku w Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) i opublikowane 20 października 1969 roku wykazały, że proton zawierał znacznie mniejsze, punktowe obiekty, a zatem nie był cząstką elementarną. Fizycy niechętnie utożsamiali te obiekty z kwarkami, nazywając je „ partonami ” – termin ukuty przez Richarda Feynmana . Obiekty obserwowane w SLAC zostały później zidentyfikowane jako kwarki górne i dolne, gdy odkryto inne smaki. Niemniej jednak „parton” pozostaje w użyciu jako zbiorcze określenie składników hadronów (kwarków, antykwarków i gluonów ).

Zdjęcie torów komory bąbelkowej obok schematu tych samych torów.  Neutrino (niewidoczne na zdjęciu) wchodzi od dołu i zderza się z protonem, wytwarzając ujemnie naładowany mion, trzy dodatnio naładowane i jeden ujemnie naładowany pion, a także neutralny barion lambda (niewidoczny na zdjęciu).  Barion lambda rozpada się następnie na proton i pion ujemny, tworząc wzór „V”.
Zdjęcie z wydarzenia, które doprowadziło do odkrycia
Σ++
_
barion
, w Brookhaven National Laboratory w 1974 r.

Istnienie dziwnego kwarka zostało pośrednio potwierdzone przez eksperymenty rozpraszania SLAC: nie tylko był niezbędnym składnikiem trzykwarkowego modelu Gell-Manna i Zweiga, ale dostarczył wyjaśnienia dla kaonu (
K
) i pion (
π
) hadrony odkryte w promieniowaniu kosmicznym w 1947 roku.

W artykule z 1970 r. Glashow, John Iliopoulos i Luciano Maiani przedstawili mechanizm GIM (nazwany od ich inicjałów) w celu wyjaśnienia eksperymentalnego braku obserwacji neutralnych prądów zmieniających smak . Ten model teoretyczny wymagał istnienia jeszcze nieodkrytego kwarka powabnego . Liczba rzekomych smaków kwarków wzrosła do obecnych sześciu w 1973 roku, kiedy Makoto Kobayashi i Toshihide Maskawa zauważyli, że eksperymentalne obserwacje naruszenia CP można wyjaśnić, jeśli istnieje inna para kwarków.

Kwarki urokliwe zostały wyprodukowane prawie jednocześnie przez dwa zespoły w listopadzie 1974 (patrz: listopadowa rewolucja ) – jeden w SLAC pod kierownictwem Burtona Richtera , a drugi w Brookhaven National Laboratory pod kierownictwem Samuela Tinga . W mezonach zaobserwowano kwarki powabne związane z antykwarkami powabnymi. Obie strony przypisały odkrytemu mezonowi dwa różne symbole, J i ψ ; w ten sposób stał się formalnie znany jako
J/ψ
mezon
. Odkrycie ostatecznie przekonało społeczność fizyków o słuszności modelu kwarków.

W kolejnych latach pojawiło się wiele propozycji rozszerzenia modelu kwarków do sześciu kwarków. Spośród nich praca Haima Harariego z 1975 roku jako pierwsza ukuła terminy górny i dolny dla dodatkowych kwarków.

W 1977 dolny kwark był obserwowany przez zespół w Fermilab pod kierownictwem Leona Ledermana . Był to silny wskaźnik istnienia kwarka górnego: bez kwarka górnego dolny byłby bez partnera. Dopiero w 1995 roku kwark górny został wreszcie zaobserwowany, także przez zespoły CDF i w Fermilab. Miał masę znacznie większą niż oczekiwano, prawie tak dużą jak atom złota .

Etymologia

Przez jakiś czas Gell-Mann był niezdecydowany co do rzeczywistej pisowni terminu, który zamierzał ukuć, dopóki nie znalazł słowa kwark w książce Jamesa Joyce'a Finnegans Wake z 1939 roku :

– Trzy kwarki dla Muster Mark!
Pewnie, że nie ma zbyt dużo kory
, a na pewno, że ma, to wszystko jest poza znakiem.

Słowo kwark jest przestarzałym angielskim słowem oznaczającym rechot , a powyższe wersety dotyczą ptasiego chóru drwiącego z króla Marka z Kornwalii w legendzie o Tristanie i Izoldzie . Zwłaszcza w niemieckojęzycznych częściach świata istnieje powszechna legenda, że ​​Joyce zaczerpnął je od słowa Quark , niemieckiego słowa pochodzenia słowiańskiego , które oznacza ser twarogowy , ale jest też potocznym określeniem „trywialny nonsens”. ”. W legendzie mówi się, że usłyszał ją podczas podróży do Niemiec na targu rolniczym we Fryburgu . Niektórzy autorzy bronią jednak możliwego niemieckiego pochodzenia słowa kwark Joyce'a . Gell-Mann szczegółowo omówił nazwę kwarka w swojej książce z 1994 roku The Quark and the Jaguar :

W 1963 roku, kiedy podstawowym składnikom nukleonu przypisałem nazwę „kwark”, najpierw miałem dźwięk, bez pisowni, który mógłby brzmieć „kwork”. Następnie, w jednym z moich okazjonalnych przeglądów Finnegans Wake , Jamesa Joyce'a, natknąłem się na słowo „kwark” w wyrażeniu „Trzy kwarki dla znaku Muster”. Ponieważ słowo „kwark” (co oznacza, po pierwsze, krzyk mewy) miało wyraźnie rymować się z „Mark”, a także „kora” i innymi podobnymi słowami, musiałem znaleźć wymówkę, aby wymówić to jako „kwork”. ”. Ale książka reprezentuje marzenie celnika Humphreya Chimpdena Earwickera. Słowa w tekście są zazwyczaj pobierane z kilku źródeł na raz, tak jak słowa „ portmanteau ” w Po drugiej stronie lustra . Od czasu do czasu w książce pojawiają się frazy, które są częściowo zdeterminowane przez wezwania na drinki w barze. Argumentowałem zatem, że być może jednym z wielu źródeł okrzyku „Trzy kwarki dla znaku mobilizacyjnego” może być „trzy kwarty dla znaku mobilizującego”, w którym to przypadku wymowa „kwork” nie byłaby całkowicie nieuzasadniona. W każdym razie liczba trzy idealnie pasowała do sposobu, w jaki kwarki występują w naturze.

Zweig wolał nazwę as dla cząstki, którą teoretyzował, ale terminologia Gell-Manna zyskała na znaczeniu, gdy model kwarkowy został powszechnie zaakceptowany.

Smaki twarogowe otrzymały swoje nazwy z kilku powodów. Kwarki górny i dolny są nazwane od składowych górnego i dolnego izospinu , które niosą. Dziwne kwarki otrzymały swoją nazwę, ponieważ odkryto, że są składnikami dziwnych cząstek odkrytych w promieniowaniu kosmicznym na wiele lat przed zaproponowaniem modelu kwarków; cząstki te uznano za „dziwne”, ponieważ miały niezwykle długi czas życia. Glashow, który wspólnie z Bjorkenem zaproponował „kwark powabny”, powiedział: „Nazwaliśmy nasz konstrukt »kwarkiem zaczarowanym«, ponieważ byliśmy zafascynowani i zadowoleni z symetrii, jaką wniósł on do świata subjądrowego”. Nazwy „dolny” i „górny”, wymyślone przez Harariego, zostały wybrane, ponieważ są „logicznymi partnerami dla kwarków górnych i dolnych”. Alternatywne nazwy kwarków dolnych i górnych to odpowiednio „piękno” i „prawda”, ale nazwy te nieco wyszły z użycia. Podczas gdy „prawda” nigdy się nie przyjęła, kompleksy akceleracyjne poświęcone masowej produkcji kwarków dolnych są czasami nazywane „ fabrykami piękna ”.

Nieruchomości

Ładunek elektryczny

Kwarki mają ułamkowe wartości ładunku elektrycznego – albo (−1/3) lub (+2/3) razy ładunek elementarny (e), w zależności od smaku. Kwarki górny, powabny i górny (określane łącznie jako kwarki górne ) mają ładunek +2/3 mi; kwarki dolne, dziwne i dolne ( kwarki typu dolnego ) mają ładunek −1/3 mi. Antykwarki mają ładunek przeciwny do odpowiadających im kwarków; antykwarki typu up mają ładunki −2/3 e i antykwarki typu dolnego mają ładunki +1/3 mi. Ponieważ ładunek elektryczny hadronu jest sumą ładunków składowych kwarków, wszystkie hadrony mają ładunki całkowite: zawsze powstaje kombinacja trzech kwarków (barionów), trzech antykwarków (antybarionów) lub kwarka i antykwarka (mezonów). w opłatach całkowitych. Na przykład, hadronowe składniki jąder atomowych, neutrony i protony, mają ładunki odpowiednio 0 e i +1 e; neutron składa się z dwóch kwarków dolnych i jednego kwarka górnego, a proton z dwóch kwarków górnych i jednego kwarka dolnego.

Obracać

Spin jest nieodłączną właściwością cząstek elementarnych, a jego kierunek jest ważnym stopniem swobody . Czasami jest wizualizowany jako obrót obiektu wokół własnej osi (stąd nazwa „ spin ”), chociaż pojęcie to jest nieco mylone w skalach subatomowych, ponieważ uważa się, że cząstki elementarne są punktowe .

Spin może być reprezentowany przez wektor , którego długość jest mierzona w jednostkach zredukowanej stałej Plancka ħ (wymawiane „h bar”). W przypadku kwarków pomiar składowej wektora spinowego wzdłuż dowolnej osi może dać tylko wartości +h/2lub −h/2; z tego powodu kwarki są klasyfikowane jako spin-1/2cząstki. Składowa wirowania wzdłuż danej osi – umownie osi z – jest często oznaczana strzałką w górę ↑ dla wartości +1/2i strzałka w dół ↓ dla wartości −1/2, umieszczony po symbolu smaku. Na przykład kwark górny o spinie +1/2wzdłuż osi z jest oznaczony przez u↑.

Słaba interakcja

Schemat drzewa składający się głównie ze strzałek prostych.  Kwark dolny rozgałęzia się na kwark górny i bozon W[minus] strzałki falistej, przy czym ten ostatni rozgałęzia się na elektron i antyneutrino elektronowe strzałki odwróconej.
Wykres Feynmana rozpadu beta wraz z upływem czasu. Macierz CKM (omówiona poniżej) koduje prawdopodobieństwo rozpadu tego i innych kwarków.

Kwark o jednym smaku może przekształcić się w kwark o innym smaku tylko poprzez oddziaływanie słabe, jedno z czterech podstawowych oddziaływań w fizyce cząstek elementarnych. Absorbując lub emitując bozon W , każdy kwark typu górnego (kwark górny, powabny i górny) może zmienić się w dowolny kwark dolny (kwark dolny, dziwny i dolny) i na odwrót. Ten mechanizm przemiany smaku powoduje radioaktywny proces rozpadu beta , w którym neutron (
n
) "rozszczepia się" na proton (
p
), elektron (
mi
) i antyneutrino elektronowe (
ν
mi
) (widzieć zdjęcie). Dzieje się tak, gdy jeden z kwarków dolnych w neutronie (
ty

d

d
) rozpada się na kwark górny emitując wirtualny
W
bozon, przekształcający neutron w proton (
ty

ty

d
). The
W
bozon następnie rozpada się na elektron i antyneutrino elektronowe.

 
n
 
p
+
mi
+
ν
mi
(Rozpad beta, notacja hadronowa)

ty

d

d

ty

ty

d
+
mi
+
ν
mi
(Rozpad beta, notacja kwarkowa)

Zarówno rozpad beta, jak i proces odwrotnego rozpadu beta są rutynowo wykorzystywane w zastosowaniach medycznych, takich jak pozytonowa tomografia emisyjna (PET) oraz w eksperymentach z wykrywaniem neutrin .

Trzy kule „u”, „c” i „t” oznaczone jako „kwarki typu górnego” stoją nad trzema kulami „d”, „s”, „b” oznaczone jako „kwark typu dolnego”.  Kulki „u”, „c” i „t” są wyrównane w pionie odpowiednio z kulkami „d”, „s” i b. Kolorowe linie łączą kwarki „typu górnego” i „typu dolnego”, z zaciemnieniem koloru wskazującym na siłę słabej interakcji między nimi; Linie „d” do „u”, „c” do „s” i „t” do „b” są ciemne; Linie „c” „ do „d” i „s” do „u” są szare; a linie „b” do „u”, „b” do „c”, „t” do „d” i „t” do „s " są prawie białe.
Siły oddziaływań słabych między sześcioma kwarkami . „Intensywności” linii są określane przez elementy macierzy CKM .

Chociaż proces przemiany smaku jest taki sam dla wszystkich kwarków, każdy kwark ma preferencję do przekształcenia się w kwark własnej generacji. Względne tendencje wszystkich przemian smakowych są opisane za pomocą tabeli matematycznej , zwanej macierzą Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (macierz CKM). Wymuszając unitarność , przybliżone wielkości wpisów macierzy CKM to:

gdzie V ij reprezentuje tendencję kwarka o smaku i do przemiany kwarka o smaku j (lub odwrotnie).

Istnieje równoważna macierz oddziaływań słabych dla leptonów (prawa strona bozonu W na powyższym diagramie rozpadu beta), zwana macierzą Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (macierz PMNS). Macierze CKM i PMNS razem opisują wszystkie przemiany smaku, ale powiązania między nimi nie są jeszcze jasne.

Silna interakcja i ładunek koloru

Zielona i magenta ("antyzielona") strzałka znosząca się nawzajem na biało, reprezentująca mezon;  czerwona, zielona i niebieska strzałka przechodząca w białą, reprezentująca barion;  żółta („antiblue”), magenta i cyjan („antired”) strzałka znosząca się na biało, reprezentująca antybarion.
Wszystkie typy hadronów mają zerowy całkowity ładunek koloru.
Wzór silnych ładunków dla trzech kolorów kwarków, trzech antykwarków i ośmiu gluonów (z nakładającymi się dwoma ładunkami o zerowym ładunku).

Według chromodynamiki kwantowej (QCD) kwarki posiadają właściwość zwaną ładunkiem kolorowym . Istnieją trzy rodzaje ładunku kolorowego, arbitralnie oznaczone jako niebieski , zielony i czerwony . Dopełnieniem każdego z nich jest antykolor – antyniebieski , antyzielony i antyczerwony . Każdy kwark niesie kolor, a każdy antykwark niesie antykolor.

System przyciągania i odpychania pomiędzy kwarkami naładowanymi różnymi kombinacjami trzech kolorów nazywany jest oddziaływaniem silnym , w którym pośredniczą cząstki przenoszące siły znane jako gluony ; jest to szczegółowo omówione poniżej. Teoria opisująca oddziaływania silne nazywa się chromodynamiką kwantową (QCD). Kwark, który będzie miał jedną wartość koloru, może utworzyć system związany z antykwarkiem niosącym odpowiedni antykolor. Wynikiem dwóch przyciągających kwarków będzie neutralność kolorystyczna: kwark o ładunku kolorowym ξ plus antykwark o ładunku kolorowym − ξ da ładunek kolorowy 0 (lub kolor „biały”) i powstanie mezonu . Jest to analogiczne do addytywnego modelu kolorów w podstawowej optyce . Podobnie kombinacja trzech kwarków, każdy o innym ładunku kolorowym, lub trzech antykwarków, każdy o innym ładunku antykolorowym, da w wyniku ten sam „biały” ładunek koloru i powstanie barionu lub antybarionu .

We współczesnej fizyce cząstek elementarnych symetrie cechowania – rodzaj grupy symetrii – wiążą interakcje między cząstkami (patrz teorie cechowania ). Kolor SU(3) (powszechnie skracany do SU(3) c ) jest symetrią cechowania, która wiąże ładunek koloru w kwarkach i jest symetrią definiującą chromodynamikę kwantową. Tak jak prawa fizyki są niezależne od tego, które kierunki w przestrzeni są oznaczone jako x , y i z , i pozostają niezmienione, jeśli osie współrzędnych zostaną obrócone do nowej orientacji, tak fizyka chromodynamiki kwantowej jest niezależna od tego, które kierunki w przestrzeni trójwymiarowej przestrzenie kolorów są identyfikowane jako niebieski, czerwony i zielony. Przekształcenia kolorów SU(3) c odpowiadają „obrotom” w przestrzeni kolorów (która, z matematycznego punktu widzenia, jest przestrzenią złożoną ). Każdy smak kwarków f , każdy z podtypami f B , f G , f R odpowiadającymi kolorom kwarków, tworzy tryplet: trzyskładnikowe pole kwantowe, które przekształca się zgodnie z podstawową reprezentacją SU(3) c . Wymóg, aby SU(3) c był lokalny – to znaczy, aby jego przekształcenia mogły zmieniać się w czasie i przestrzeni – determinuje właściwości oddziaływania silnego. W szczególności zakłada istnienie ośmiu typów gluonów, które działają jako nośniki siły.

Masa

Obecne masy twarogowe dla wszystkich sześciu smaków w porównaniu, jako kulki o proporcjonalnej objętości. Proton (szary) i elektron  (czerwony) są pokazane w lewym dolnym rogu dla skali.

W odniesieniu do masy kwarka używane są dwa terminy: aktualna masa kwarka odnosi się do masy samego kwarka, podczas gdy składowa masa kwarka odnosi się do aktualnej masy kwarka plus masa pola cząstek gluonowych otaczającego kwark. Masy te mają zazwyczaj bardzo różne wartości. Większość masy hadronów pochodzi z gluonów, które wiążą ze sobą składowe kwarki, a nie z samych kwarków. Chociaż gluony są z natury bezmasowe, posiadają energię – a dokładniej energię wiązania chromodynamiki kwantowej (QCBE) – i to właśnie ona ma tak duży udział w ogólnej masie hadronu (patrz masa w szczególnej teorii względności ). Na przykład proton ma masę około938  MeV/ c 2 , z czego masa spoczynkowa trzech kwarków walencyjnych wnosi jedynie około9 MeV/ c 2 ; większość pozostałej części można przypisać energii pola gluonów (patrz łamanie symetrii chiralnej ). Model Standardowy zakłada, że ​​cząstki elementarne czerpią masy z mechanizmu Higgsa , który jest powiązany z bozonem Higgsa . Mamy nadzieję, że dalsze badania nad przyczynami dużej masy kwarka górnego ~173 GeV/ c 2 , prawie masa atomu złota, może ujawnić więcej o pochodzeniu masy kwarków i innych cząstek elementarnych.

Rozmiar

W QCD kwarki są uważane za byty punktowe o zerowej wielkości. Od 2014 roku dowody eksperymentalne wskazują, że nie są one większe niż 10-4 razy większe niż proton, tj. mniej niż 10-19 metrów.

Tabela właściwości

Poniższa tabela podsumowuje kluczowe właściwości sześciu kwarków. Liczby kwantowe aromatu ( izospin ( I 3 ), urok ( C ), dziwność ( S , nie mylić ze spinem ), górność ( T ) i dno ( B ′ ) są przypisane do pewnych smaków kwarków i oznaczają cechy systemy oparte na kwarkach i hadrony. Liczba barionowa ( B ) to +1/3dla wszystkich kwarków, ponieważ bariony składają się z trzech kwarków. W przypadku antykwarków ładunek elektryczny ( Q ) i wszystkie liczby kwantowe smakowe ( B , I 3 , C , S , T i B ′) mają przeciwny znak. Masa i całkowity moment pędu ( J ; równy spinowi dla cząstek punktowych) nie zmieniają znaku dla antykwarków.

Właściwości smakowe twarogu
Cząstka Masa * ( MeV/ c 2 ) J B Q ( e ) ja 3 C S T B' Antycząstka
Nazwa Symbol Nazwa Symbol
Pierwsza generacja
w górę
ty
2,3 ± 0,7  ± 0,5 1/2 +1/3 +2/3 +1/2 0 0 0 0 antiup
ty
na dół
d
4,8 ± 0,5  ± 0,3 1/2 +1/3 1/3 1/2 0 0 0 0 antidown
d
Drugie pokolenie
czar
c
1275 ± 25 1/2 +1/3 +2/3 0 +1 0 0 0 antyczar
c
dziwny
s
95 ± 5 1/2 +1/3 1/3 0 0 -1 0 0 antydziwny
s
Trzecia generacja
Top
t
173 210 ± 510 ± 710 * 1/2 +1/3 +2/3 0 0 0 +1 0 antytop
t
na dole
b
4180 ± 30 1/2 +1/3 1/3 0 0 0 0 -1 antibottom
b

J = całkowity moment pędu , B = liczba barionowa , Q = ładunek elektryczny ,
I 3 = izospin , C = urok , S = obcość , T = góra , B ′ = dno .

* Notacja taka jak173 210 ± 510  ± 710, w przypadku kwarka górnego, oznacza dwa rodzaje niepewności pomiaru
: Pierwsza niepewność ma charakter statystyczny , a druga jest systematyczna .

Kwarki oddziałujące

Jak opisano w chromodynamice kwantowej , silne oddziaływanie między kwarkami odbywa się za pośrednictwem gluonów, bezmasowych bozonów cechowania wektorów . Każdy gluon przenosi jeden ładunek kolorowy i jeden ładunek antykolorowy. W standardowym schemacie oddziaływań cząstek (część bardziej ogólnego sformułowania znanego jako teoria perturbacji ) gluony podlegają ciągłej wymianie między kwarkami poprzez wirtualny proces emisji i absorpcji. Kiedy gluon jest przenoszony między kwarkami, w obu zachodzi zmiana koloru; na przykład, jeśli czerwony kwark emituje czerwono-antyzielony gluon, staje się zielony, a jeśli zielony kwark absorbuje czerwono-antyzielony gluon, staje się czerwony. Dlatego, chociaż kolor każdego kwarka stale się zmienia, ich silne oddziaływanie zostaje zachowane.

Ponieważ gluony niosą ładunek kolorowy, same są w stanie emitować i absorbować inne gluony. Powoduje to asymptotyczną swobodę : gdy kwarki zbliżają się do siebie, chromodynamiczna siła wiązania między nimi słabnie. Odwrotnie, wraz ze wzrostem odległości między kwarkami siła wiązania wzmacnia się. Pole koloru zostaje naprężone, podobnie jak elastyczna taśma jest naprężona podczas rozciągania, i spontanicznie tworzy się więcej gluonów o odpowiednim kolorze, aby wzmocnić pole. Powyżej pewnego progu energetycznego powstają pary kwarków i antykwarków . Pary te wiążą się z rozdzielanymi kwarkami, powodując powstawanie nowych hadronów. Zjawisko to znane jest jako ograniczenie koloru : kwarki nigdy nie pojawiają się w izolacji. Ten proces hadronizacji zachodzi zanim kwarki powstałe w wyniku zderzenia o wysokiej energii będą w stanie oddziaływać w inny sposób. Jedynym wyjątkiem jest kwark górny, który może ulec rozkładowi przed hadronizacją.

Kwarki morskie

Hadrony zawierają wraz z kwarkami walencyjnymi (
q
v
), które przyczyniają się do ich liczb kwantowych , wirtualny kwark–antykwark (
q

q
) pary znane jako kwarki morskie (
q
s
). Kwarki morskie tworzą się, gdy gluon pola barw hadronu rozdziela się; proces ten działa również odwrotnie, ponieważ anihilacja dwóch kwarków morskich wytwarza gluon. Rezultatem jest ciągły przepływ rozszczepień i kreacji gluonowych, potocznie nazywanych „morzem”. Kwarki morskie są znacznie mniej stabilne niż ich odpowiedniki walencyjne i zazwyczaj anihilują się nawzajem we wnętrzu hadronu. Mimo to w pewnych okolicznościach kwarki morskie mogą ulegać hadronizacji w cząstki barionowe lub mezonowe.

Inne fazy materii kwarkowej

Plazma kwarkowo-gluonowa istnieje w bardzo wysokich temperaturach;  faza hadronowa występuje w niższych temperaturach i gęstościach barionowych, w szczególności materia jądrowa w stosunkowo niskich temperaturach i gęstościach pośrednich;  nadprzewodnictwo barwne występuje w wystarczająco niskich temperaturach i wysokich gęstościach.
Jakościowe przedstawienie diagramu fazowego materii kwarkowej. Dokładne szczegóły diagramu są przedmiotem trwających badań.

W wystarczająco ekstremalnych warunkach kwarki mogą zostać „zdefiniowane” poza stanami związanymi i rozprzestrzenić się jako termalizowane „swobodne” wzbudzenia w większym ośrodku. W trakcie asymptotycznej swobody oddziaływanie silne słabnie wraz ze wzrostem temperatury. Ostatecznie uwięzienie kolorów zostałoby skutecznie utracone w niezwykle gorącej plazmie swobodnie poruszających się kwarków i gluonów. Ta teoretyczna faza materii nazywana jest plazmą kwarkowo-gluonową .

Dokładne warunki potrzebne do wywołania tego stanu są nieznane i były przedmiotem wielu spekulacji i eksperymentów. Szacunek określa potrzebną temperaturę na(1,90 ± 0,02) × 10 12 kelwinów . Chociaż nigdy nie osiągnięto stanu całkowicie wolnych kwarków i gluonów (pomimo licznych prób podejmowanych przez CERN w latach 80. i 90.), ostatnie eksperymenty w Relatywistycznym Zderzaczu Ciężkich Jonów dostarczyły dowodów na to, że płynna materia kwarkowa wykazuje „prawie doskonały” ruch płynu .

Plazma kwarkowo-gluonowa charakteryzowałaby się dużym wzrostem liczby par kwarków cięższych w stosunku do liczby par kwarków górnego i dolnego. Uważa się, że w okresie poprzedzającym 10-6 sekund po Wielkim Wybuchu ( epoka kwarków ) wszechświat był wypełniony plazmą kwarkowo-gluonową, ponieważ temperatura była zbyt wysoka, aby hadrony mogły być stabilne.

Biorąc pod uwagę wystarczająco wysokie gęstości barionów i stosunkowo niskie temperatury – prawdopodobnie porównywalne do tych występujących w gwiazdach neutronowych – oczekuje się, że materia kwarkowa zdegeneruje się w ciecz Fermiego ze słabo oddziałujących kwarków. Ciecz ta charakteryzowałaby się kondensacją kolorowych kwarków par Coopera , łamiąc tym samym lokalną symetrię SU(3) c . Ponieważ pary kwarków Coopera niosą ładunek kolorowy, taka faza materii kwarkowej byłaby nadprzewodnikiem barwnym ; to znaczy, że ładunek kolorowy byłby w stanie przejść przez niego bez oporu.

Zobacz też

Notatki wyjaśniające

  1. ^ Istnieje również teoretyczna możliwość powstania bardziej egzotycznych faz materii kwarkowej .
  2. ^ Główny dowód opiera się naszerokości rezonansowej
    Z0
    bozon
    , który ogranicza neutrino czwartej generacji do masy większej niż ~45 GeV/ c 2 . Byłoby to mocno kontrastujące z neutrinami pozostałych trzech generacji, których masy nie mogą przekroczyć2 MeV/ c 2 .
  3. ^ Naruszenie CP jest zjawiskiem, które powoduje, że oddziaływania słabe zachowują się inaczej, gdy lewa i prawa strona są zamieniane ( symetria P ) i cząstki są zastępowane odpowiadającymi im antycząstkami ( symetria C ).
  4. ^ „Piękno” i „prawda” są zestawione w ostatnich wersach wiersza Keatsa z 1819 roku „ Oda na grecką urnę ” i mogły być źródłem tych imion.
  5. ^ Rzeczywiste prawdopodobieństwo rozpadu jednego kwarka na inny jest skomplikowaną funkcją (między innymi) masy rozpadającego się kwarka, mas produktów rozpadu i odpowiedniego elementu macierzy CKM. Prawdopodobieństwo to jest wprost proporcjonalne (ale nie równe) do kwadratu wielkości (| V ij  | 2 ) odpowiedniego wpisu CKM.
  6. ^ Pomimo swojej nazwy ładunek barwny nie jest powiązany z widmem barw światła widzialnego.

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki