Kwark: Różnice pomiędzy wersjami

'''Kwark''' – [[cząstka elementarna]], [[fermiony|fermion]] mający [[ładunek kolorowy]] (czyli podlegający [[oddziaływanie silne|oddziaływaniom silnym]]). Według obecnej wiedzy [[cząstka elementarna|cząstki elementarne]] będące składnikami [[materia (fizyka)|materii]] można podzielić na dwie grupy. Pierwszą grupę stanowią kwarki, drugą grupą są [[Lepton (mechanika kwantowa)|leptony]]. Każda z tych grup zawiera po sześć cząstek oraz ich [[Antymateria|antycząstki]], istnieje więc sześć rodzajów kwarków oraz sześć rodzajów [[antykwark]]ów.

Za symbol kwarka przyjmuje się literę <math>q.</math>. Każdemu kwarkowi odpowiada jego antycząstka, antykwark, oznaczany symbolem <math>\overline{q}.</math>. Według dzisiejszego stanu wiedzy kwarki są niepodzielne.

Hipotezę istnienia kwarków jako elementarnych składników materii wysunęli niezależnie od siebie [[Murray Gell-Mann]] i [[George Zweig]] w 1964 roku. Nazwę zaproponował Gell-Mann. Słowo ''quark'' pochodzi ze zdania ''Three quarks for Muster Mark!'' z powieści [[Finneganów tren|„Finnegans Wake”]] autorstwa [[James Joyce|Jamesa Joyce'aJoyce’a]]. Zdanie to jest zniekształconą formą okrzyku ''Drei Mark für muster Quark!'' ([[język niemiecki|niem.]] „Trzy marki za znakomity twaróg!”), który autor usłyszał na targu. Cytat mówi o trzech kwarkach, a w owym czasie Gell-Mann i Zweig postulowali istnienie właśnie trzech cząstek – ''[[kwark górny|u]]'', ''[[kwark dolny|d]]'' i ''[[kwark dziwny|s]]'' – oraz ich antycząstek: ''<u style="text-decoration:overline">u</u>'', ''<u style="text-decoration:overline">d</u>'' i ''<u style="text-decoration:overline">s</u>''.

Szansa na potwierdzenie istnienia kwarków pojawiła się w 1968 podczas eksperymentów z [[Rozpraszanie głęboko nieelastyczne|głęboko nieelastycznym rozpraszaniem]] elektronów<ref>[http://www.physics.ox.ac.uk/documents/PUS/dis/SLAC.htm Stanford Linear Accelerator Center].</ref> w [[Stanford Linear Accelerator Center|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 [[Fale materii|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 (to znaczy miały określoną energię i poruszały się pod określonymi kątami do pierwotnego kierunku). Gdyby ładunek wewnątrz protonu był rozłożony równomiernie, elektrony powinny rozpraszać się pod niewielkimi kątami. Eksperyment natomiast ujawnił nadspodziewanie dużo rozproszeń pod dużymi kątami<ref group=uwaga>Zagadnienie niesprężystości tych zderzeń dla omawianego zjawiska jest problemem wtórnym i nieistotnym. Doświadczenie nazwano głęboko nieelastycznym oddziaływaniem elektron–proton dlatego, że przy tak dużych energiach zderzenia część energii kinetycznej jest zużywana na kreację nowych cząstek.</ref><ref>[http://www.physics.ox.ac.uk/documents/PUS/dis/DIS.htm ''Rozpraszanie głęboko niesprężyste'']. Stanford Linear Accelerator Center.</ref>. Jest to efekt analogiczny do obserwowanego 50 lat wcześniej w [[Eksperyment Rutherforda|doświadczeniu Rutherforda]] (niezgodność kąta rozpraszania z oczekiwaniami).

Siła oddziaływania między kwarkami dąży do nieskończoności dla odległości rzędu 1 [[Femtometr|fm]], czyli rozmiaru protonu, dlatego [[hadrony]] bombardowane coraz większymi energiami w żargonie są „coraz twardsze” (kąt rozproszenia niewiele się zmienia)<ref>''Connection of elastomagnetic nucleon form factors at large Q2 and deep inelastic structure near threshold''. SLAC-PUB-699 December 1969.</ref>.

Wraz z rozwojem fizyki wysokich energii i [[fizyka cząstek elementarnych|fizyki cząstek elementarnych]] oraz dzięki prowadzonym coraz dokładniejszym badaniom odkrywano kolejne kwarki: ''[[kwark powabny|c]]'', ''[[kwark b|b]]'' i ''[[kwark t|t]]'' oraz ich antycząstki: ''<u style="text-decoration:overline">c</u>'', ''<u style="text-decoration:overline">b</u>'' i ''<u style="text-decoration:overline">t</u>''. Z odkryciem nowych cząstek zaistniała potrzeba dodatkowej parametryzacji. Kwarki zostały podzielone na trzy rodziny (generacje); oprócz tego, stosuje się również podział na '''kwarki lekkie''': [[kwark górny|u]], [[kwark dolny|d]] i [[kwark dziwny|s]] i '''kwarki ciężkie''': [[kwark powabny|c]], [[kwark b|b]] i [[kwark t|t]].

: {| class="wikitable"

| −–½

| −⅓–⅓

| −⅓–⅓

| B* &nbsp;= &nbsp;−1

| −⅓–⅓

| 170900±1800<ref name="Summary of Top Mass Results -– March 2007">{{cytuj stronę |url=http://www-cdf.fnal.gov/physics/new/top/2007/mass/tevcombination/ |tytuł=Summary of Top Mass Results – March 2007|język=en|data dostępu=4 lipca 2007|język=en}}</ref>

Wszystkie kwarki są [[fermiony|fermionami]], co oznacza, że podlegają [[statystykaStatystyka Fermiego–DiracaFermiego-Diraca|statystyce Fermiego–DiracaFermiego-Diraca]] i mają [[spin (fizyka)|spin]] połówkowy <math>\left( {1 \over 2}frac12 \hbar, {3 \over 2}frac32 \hbar, {5 \over 2}frac52 \hbar, ... \right),</math>, gdzie <math>\hbar=\frac{h}{2\pi}</math> a ''h'' jest [[Stała Plancka|stałą Plancka]].

W związku z faktem uwięzienia kwarków definicja ich [[masa (fizyka)|masy]] jest obarczona pewną dowolnością. Dla kwarków definiuje się więc dwa rodzaje masy. Pierwsza z nich to tak zwana [[masa konstytuentna]] ''M'', wyznaczona na podstawie faktu, iż masa protonu jest niemal taka sama jak masa neutronu. Zdefiniowano więc masę konstytuentną lekkich kwarków <math>m_u\simeq m_d\simeq \frac{m_N}{3},</math>, gdzie jako <math>\frac{m_N}{3}</math> oznaczono jedną trzecią część masy [[Nukleony|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 [[gluon]]ów, wprowadzono drugi rodzaj masy. W wysokoenergetycznych oddziaływaniach hadronów należy więc brać pod uwagę tak zwane [[masa prądowa|masy prądowe]] ''m'' (ang. ''current mass''), nazywane także masami gołymi. Wartości mas prądowych są mniejsze od wartości mas konstytuentnych.

Inną wielkością charakterystyczną dla kwarków jest [[izospin]] (spin izotopowy) ''I'', wielkość kwantowa wprowadzona już w 1932 roku przez [[Werner Heisenberg|Heisenberga]], który początkowo proponował traktowanie protonu i neutronu jako dwóch stanów, w których występować może jedna cząstka – [[Nukleony|nukleon]]. Z czasem okazało się również, że izospin jest wielkością charakteryzującą kwarki. Formalizm podobny do tego, jaki stosuje się dla spinu przewiduje, iż [[multiplet]] o izospinie ''I'' ma 2''I''&nbsp;+&nbsp;1 składników. Tyle więc wartości przybiera trzecia składowa izospinu, <math>I_3.</math>. Zgodnie z zasadą kwantyzacji przestrzennej, liczba wartości trzeciej składowej izospinu <math>I_3</math> odpowiada liczbie ustawień wektora izospinu w przestrzeni. Kwarki ''u'' i ''d'' traktuje się jako dublet izospinowy i przypisuje im [[izospin]] <math>I={1 \over 2}frac12,</math>, zaś pozostałe kwarki (''s'', ''c'', ''b'' i ''t'') są izospinowymi [[singlet]]ami (<math>I=0</math>).

Ładunki elektryczne kwarków są ułamkami [[Ładunek elektryczny elementarny|ładunku elementarnego]] i wynoszą <math>+{2 \over 3}efrac23e</math> lub <math>-{1 \over 3}efrac13e.</math>. [[Liczba barionowa]] każdego kwarka ''q'' jest równa <math>B={1 \over 3}frac13,</math>, a dla antykwarka <math>\overline{q}</math> ma wartość <math>B=-{1 \over 3}frac13.</math>.

Ładunki elektryczne oraz [[liczby kwantowe]] ''S, C, B'' i ''T'' antykwarków mają przeciwne znaki. Zebrane właściwości antykwarków przedstawia poniższa tabela.

: {| class="wikitable"

! Izospin <br /> I

! Ładunek <br /> e

! Masa <br /> konstytuentna<br />M (GeV/c²)

| -⅔−⅔

| 4 – 84–8<ref name="masy" />

| B* &nbsp;= &nbsp;+1

| 4100 – 44004100–4400<ref name="masy" />

| 170900±1800<ref name="Summary of Top Mass Results -– March 2007" />

<ref name="PTF">Polska nazwa według [[Polskie Towarzystwo Fizyczne|PTF]] – {{cytuj stronę | url = http://ptf.net.pl/pl/fizyka-fizycy/informacje-o-fizyce-i-fizykach/angielsko-polski-slownik-nowych-terminow-fizycznych/ | tytuł = ''Angielsko-polski słownik nowych terminów fizycznych'' | nazwisko = Jancewicz | imię = Bernard | data = 2011-02-15 | opublikowany = [[Polskie Towarzystwo Fizyczne]] | data dostępu = 2013-06-25}}</ref>