Kvarki

Kvarks

Protons sastāv no diviem U kvarkiem, viena D kvarka un gluoniem, kas ir starpnieki spēkiem, kas tos "saista". Atsevišķu kvarku piešķirtā krāsa ir patvaļīga, taču jābūt klāt visām trim krāsām.
Sastāvs	Elementārdaļiņa
Statistika	Fermionisks
Paaudze	1., 2., 3.
Mijiedarbības	Elektromagnētisms, gravitācija, stiprā mijiedarbība, vājā mijiedarbība
Simbols	q
Antidaļiņa	Antikvarks( q )
Teorizēja	Murray Gell-Mann (1964) George Zweig (1964)
Atklāts	SLAC (c. 1968)
Tipi	6 (up, down, strange, charm, bottom, un top)
Elektriskais lādiņš	+2⁄3 e, −1⁄3 e
Krāsu lādiņš	Jā
Spini	1⁄2
Barionu skaitlis	1⁄3

Elementārdaļiņas sakārtotas standartmodelī (angļu valodā)

Kvarki ir elementārdaļiņas, no kurām sastāv hadroni. Pazīstami sešu veidu (šos veidus sauc par aromātiem jeb smaržām) kvarki un tikpat daudz antikvarku.

Vēsture

Hipotēzi par kvarku kā daļiņu, no kurām sastāv hadroni, eksistenci pirmais izvirzīja amerikāņu fiziķis Marijs Gells-Manns 1964. gadā (neatkarīgi no viņa šādas daļiņas postulēja arī Džordžs Cveigs). Vārdu "kvarks" Gells-Manns ņēma no Džeimsa Džoisa jaunvārdiem bagātās grāmatas "Finegana vāķēšana", kurā bija frāze "Trīs kvarki misteram Markam". Noslēpumainais vārds, kas atgādināja kaijas kliedzienu, Gellam-Mannam likās piemērots jauno hipotētisko daļiņu apzīmēšanai (kvarku hipotēze paredzēja nuklonu sastāvēšanu no trim kvarkiem).

Kvarku īpašības

Kvarkus, tāpat kā leptonus, var sagrupēt pa pāriem trīs "paaudzēs". Katrā paaudzē vienam kvarkam elektriskais lādiņš ir +2/3, bet otram -1/3. Kvarki spēj piedalīties stiprajā mijiedarbībā (mainīt "krāsu", apmainoties ar gluoniem), vājajā mijiedarbībā (mainot savu "aromātu") un, tā kā tiem piemīt lādiņš, arī elektromagnētiskajā mijiedarbībā. Bez tam kvarkiem piemīt iekšējs papildu raksturlielums, kurš uzskatāmības labad tiek dēvēts par krāsu (ar krāsu parastā izpratnē tam nav nekāda sakara, tāpat kā kvarka tipam nav sakara ar parastajām smaržām).

Tā kā stiprā mijiedarbība ir spēks, kas darbojas ļoti mazos attālumos, kvarki nevar eksistēt brīvā veidā (ārpus to "bezkrāsainajām" kombinācijām — hadroniem), attālināti no citiem kvarkiem. Šo parādību sauc par kvarku konfainmentu (neizlidojamību). Vienkāršoti runājot, ja kvarku mēģina atraut no citiem hadrona sastāvā ietilpstošiem kvarkiem, pieliekot pietiekami lielu enerģiju, rodas jauns kvarks (kvarki), kas tiek izmests no hadrona kopā ar atraujamo kvarku. Šādā veidā notiek enerģijas pāreja matērijā.

Kvarka simbols	Nosaukums (aromāts)	Elektriskais lādiņš	Masa
Pirmā paaudze
d	apakšējais (down)	−1/3	~ 4 MeV
u	augšējais (up)	+2/3	~ 6 MeV
Otrā paaudze
s	dīvainais (strange)	−1/3	150 MeV
c	šarmantais (charm)	+2/3	1,5 GeV
Trešā paaudze
b	pamata jeb brīnišķīgais (bottom, beauty)	−1/3	4,5 GeV
t	virsotnes jeb patiesais (top, truth)	+2/3	175 GeV

Kvarku eksistences realitāte

Tā kā kvarkus nekad neviens nav novērojis un nenovēros konfainmenta dēļ, rodas jautājums par kvarku reālo eksistenci — vai tie nav tikai matemātiska abstrakcija?

Kvarku realitātes pierādījumi.

• Visi hadroni ir viegli grupējami dažādos multipletos, kuru aprakstīšanai nepieciešams neliels skaits brīvo parametru. Barioniem ar vienādu spinu ir trīs brīvības pakāpes, bet mezoniem — divas. Gella-Manna izteiktā kvarku hipotēze ņēma par pamatu šos novērojumus (īsais termins "kvarks" aizstāja daudz garāko frāzi "hadrona brīvības pakāpe").
• Katrai šādai brīvības pakāpei varēja piesaistīt spinu 1/2 un katram kvarku pārim — orbitālo momentu, it kā tās būtu daļiņas, kas var rotēt viena ap otru. Tas ļāva izskaidrot hadronu spinu daudzveidību un to magnētiskos momentus.
• Pēc kvarku hipotēzes izvirzīšanas tika atklāti daudzi jauni hadroni, kuri veiksmīgi iekļāvās kvarku teorijā bez tās izmainīšanas.
• Matemātiski var aprēķināt, kā norit elektrona un pozitrona, kuriem piešķirtas lielas enerģijas, anihilācija. Ja par aprēķinu pamatu ņem kvarku teoriju, kas paredz, ka kvarkiem ir daļveida elektriskie lādiņi, aprēķinu rezultāti liecina, ka vispirms jārodas kvarku-antikvarku pāriem, no kuriem rodas citi hadroni. Eksperimenti ir pilnībā apstiprinājuši šos teorētiskos aprēķinus.
• Pēc lieljaudas daļiņu paātrinātāju uzbūvēšanas radās iespēja pārbaudīt impulsa sadalījumu hadronu, piemēram, protona, iekšienē. Tika noskaidrots, ka impulss nav sadalīts vienmērīgi protona tilpumā, bet ir koncentrēts atsevišķās "brīvības pakāpēs", ko nosauca par partoniem. Izrādījās, ka partoniem, tāpat kā kvarkiem, spina vērtība ir 1/2 un lādiņš — daļveida. Partonu skaits pieaug līdz ar protona enerģijas pieaugumu, kas saskan ar kvarku teoriju.
• Mēģinot izsist kvarku no hadrona ārkārtīgi lielas enerģijas sadursmēs, saskaņā ar kvarku teoriju, būtu jārodas hadronu "strūklām". Šādas strūklas tiek eksperimentāli novērotas. Ja hadroni ne no kā nesastāvētu, strūklas neeksistētu.

Līdz ar to kvarku hipotēze ar visām no tās izrietošajām sekām (sk. kvantu hromodinamika) ir visvienkāršākā un konservatīvākā hipotēze, kas izskaidro eksperimentālos datus un atbilst Okama asmens principam. Pašreizējā momentā (XXI gadsimta sākumā) kvarku teorijai nav dzīvotspējīgas alternatīvas.

Pagaidām neizskaidroti kvarku teorijas jautājumi

• Kāpēc ir tieši trīs kvarku "krāsas"?
• Kāpēc ir tieši trīs kvarku "paaudzes"?
• Vai krāsu un paaudžu skaita sakritībai ir gadījuma raksturs?
• Vai sakritībai ar mūsu telpas dimensiju skaitu ir gadījuma raksturs?
• Kāpēc kvarku masas ir tik dažādas?
• No kā sastāv kvarki?

Ir hipotēze par kvarku sastāvēšanu no vēl vienkāršākām daļiņām - preoniem, bet tai pagaidām nav nekādu eksperimentālu apstiprinājumu.

Ārējās saites

• Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Kvarki.

• Encyclopædia Britannica raksts (angliski)
• Krievijas Lielās enciklopēdijas raksts (krieviski)