Ква́рки (від — kwɑːrk) — елементарні частинки і фундаментальні складові матерії. Кварки об'єднуються, створюючи композитні частинки, адрони, в тому числі й найстабільніші серед них протони і нейтрони, складові атомних ядер. Через явище конфайнменту, кварки ніколи не спостерігалися у вільному стані; вони можуть бути знайдені тільки в межах адронів, таких як мезони і баріони. Велика частина того, що відомо про кварки було взято зі спостережень адронів.
Кварки мають різні внутрішні властивості, такі як маса, електричний заряд, колірний заряд і спін. Кварки є єдиними в Стандартній моделі частинками, які беруть участь у всіх чотирьох фундаментальних взаємодіях, а також єдиними частинками, електричний заряд яких не є кратним елементарному. На сьогодні відомо 6 сортів (їх прийнято називати «ароматами») кварків: нижній d, верхній u, дивний s, чарівний c, красивий b і справжній t. Верхній і нижній кварки є найлегшими. Більш важкі кварки швидко перетворюються в верхній і нижній шляхом розпаду. Інші кварки можуть бути отримані при зіткненнях за високих енергій. Для кожного кварка існує своя античастинка — «антикварк».
Класифікація кварків
Стандартна модель є теоретичною основою опису всіх відомих на сьогодні елементарних частинок. У цій моделі кварки мають шість різних ароматів: верхній (u) (up), нижній (d) (down), дивний (s) (strange), чарівний (c) (charm), красивий (b) (beauty, bottom) і правдивий (топ-кварк) (t) (true, top). Античастинки кварків називають антикварками і позначають рискою над символом для відповідного кварка, наприклад для верхнього антикварка. Як антиматерія в цілому, антикварки мають ту ж масу, середній час життя і спін як їхні відповідні кварки, але мають протилежний заряд.
Кварки є частинками зі спіном 1/2, отже, вони є ферміонами відповідно до теореми Паулі. Вони підпорядковуються принципу заборони Паулі, тобто, два однакові ферміони не можуть одночасно бути в одному й тому ж квантовому стані. Це відрізняє їх від бозонів (частинок з цілим спіном), будь-яка кількість яких може бути одночасно в одному й тому ж квантовому стані. На відміну від лептонів, кварки мають колірний заряд, який змушує їх брати участь в сильній взаємодії. Результуюче притягання між різними кварками спричиняє утворення складових частинок, відомих як адрони.
Кварки, які визначають квантові числа адронів називають валентними кварками; крім цього, будь-який адрон може містити необмежену кількість віртуальних кварків, антикварків і глюонів, які не впливають на його квантові числа. Існує два сімейства адронів: баріони, що складаються з трьох валентних кварків, і мезони — з одного кварка й одного антикварка.Section 6.1. in Найпоширенішими баріонами є протон і нейтрон, складові атомних ядер. На сьогодні уже відомо багато різних адронів, які в основному різняться вмістом кварків. Існування «екзотичних» адронів (із більшою кількістю валентних кварків), таких як тетракварк (qqqq) або пентакварк (qqqqq) припускається, але не доведено. Щоправда, 13 липня 2015 року в ЦЕРН повідомили про результати, які відповідають станам пентакварка.
Елементарні ферміони згруповані в три покоління, кожне з яких містить два лептони і два кварки. Перше покоління включає u-кварк і d-кварк, друге — s-кварк і c-кварк, третє — b-кварк і t-кварк. Пошуки четвертого покоління кварків і інших елементарних ферміонів зазнали невдачі, є непрямі докази того, що не існує більше трьох поколінь ферміонів. Частинки вищих поколінь як правило мають велику масу і є менш стабільними, що спричиняє їх розпад на частинки нижчого покоління через слабку взаємодію. Тільки кварки першого покоління трапляються в земних умовах. Важчі кварки можуть бути створені за допомогою високоенергетичних зіткнень і швидко розпадаються. Проте вважається, що вони існували в перші частки секунди після Великого вибуху, коли Всесвіт був дуже гарячий і густий (кваркова епоха). Важчі кварки досліджують у прискорювачах елементарних частинок.
Маючи електричний заряд, масу, колірний заряд і аромат, кварки є частинками, що беруть участь у всіх чотирьох фундаментальних взаємодіях: електромагнітній, гравітаційній, сильній і слабкій.
Історія
Кваркова модель була незалежно запропонована фізиками Маррі Гелл-Маннном (на фото) і Джорджем Цвейгом в 1964 році. Пропозиція надійшла незабаром після формулювання Гелл-Манном в 1961 системи класифікації частинок, відомої як симетрія ароматів SU(3) Original: . Фізик Юваль Неєман незалежно розробив подібну схему в цьому ж році.Original
На момент створення теорії кварків до елементарних частинок відносили дуже багато адронів. Гелл-Манн і Цвейг стверджували, що вони не були елементарними частинками, а складалися з комбінацій кварків і антикварків. Їхня модель включала три аромати кварків: верхній, нижній і дивний, яким вони приписували такі властивості, як спін і електричний заряд. Перша реакція фізиків щодо цієї моделі була різною. Не ясно було чи є кварк справді фізичною частинкою чи просто абстракцією для пояснення понять, які в той час ще не були повністю висвітлені.
Менш ніж через рік були запропоновані доповнення до моделі Гелл-Манна і Цвейга. Шелдон Лі Ґлешоу і Джеймс Бйоркен передбачили існування четвертого аромату кварка, який вони потім назвали чарівним. Додатковий кварк було запропоновано, оскільки він дозволяв краще описати слабку взаємодію і передбачав формулу, яка правильно відтворювала маси відомих мезонів.
У 1968 році експерименти з розсіювання в Стенфорді (SLAC) показали, що протон містить набагато менші точкові об'єкти і тому не є елементарною частинкою. Фізики в той час не хотіли підтверджувати, що це кварки, натомість назвали ці частинки «партонами» (термін запропонований Річардом Фейнманом). Об'єкти, що спостерігалися під час цих експериментів пізніше ідентифікували як верхній і нижній кварки. Усе ж, термін «партон», як і раніше, використовується для складових адронів (кварків, антикварків і глюонів).
Існування дивного кварка було підтверджено експериментами в SLAC, воно було потрібним не тільки для підтвердження Гелл-Маннової та Цвейгової моделі, але також давало пояснення каона (К) та піона (π), виявлених в космічних променях в 1947 році. Число ймовірних кварків зросло до поточних шести в 1973 році, коли Макото Кобаясі і Масукава Тосіхіде помітили, що експериментальне спостереження CP-порушень можна було б пояснити, якби була ще одна пара кварків.
Чарівні кварки були отримані майже одночасно двома командами в листопаді 1974 року — одна в SLAC під керівництвом Бертона Ріхтера, і одна в Брукгейвенській національній лабораторії під керівництвом Семюела Тінга. Було помічено об'єднання чарівних кварка і антикварка в мезон. Обидві команди дали свій символ отриманому мезону J і ψ; так цей мезон офіційно став відомим як J/ψ-мезон. Це відкриття остаточно переконало спільноту фізиків у правильності кваркової моделі.
У наступні роки з'явився ряд пропозицій розширення моделі кварків до шести. Серед них модель, запропонована Хаїмом Харарі у статті в 1975 році, в якій він вперше запропонував терміни красивий (beauty (b)) і справжній (true (t)) для додаткових кварків.
У 1977 році красивий кварк спостерігався командою Fermilab під керівництвом Леона Ледермана. Це стало індикатором існування топ-кварка; без нього красивий кварк був би без партнера. Тим не менше, топ-кварк не спостерігався до 1995 року. Він мав набагато більшу масу, ніж раніше очікувалось.
Етимологія
Слово «кварк» було взято Меррі Гелл-Манном з роману Дж. Джойса «Поминки за Фіннеганом», де в одному із епізодів чайки кричали: «Three quarks for Muster Mark!» (в перекладі: «Три кварки для Мастера Марка»). На той час Гелл-Манном припускалось існування тільки саме трьох кварків. Саме слово «кварк» в цій фразі припускається є звуконаслідуванням крику морських птахів. Є також інша версія, за якою це слово взято з німецької мови, під час перебування Джойса в Відні. В німецькій мові слово Quark має два значення: 1) сир, 2) нісенітниця.
Ароматам кварків були дані їхні імена з певних причин. Верхній і нижній кварки названі так, після означення їхніх ізоспінів «вгору» і «вниз». Дивні кварки отримали таку назву, тому що вони були відкриті як компоненти дивних частинок виявлених в космічних променях за кілька років до того, як була запропонована модель кварків; ці частинки були названі дивними через незвично велику тривалість життя. Чарівний кварк отримав свою назву, тому що його першовідкривачі були зачаровані симетрією, яку він приніс в субатомний світ. Назви боттом-кварк і топ-кварк були обрані, тому що вони є логічними партнерами верхнього і нижнього кварку. Ці кварки ще іноді називають красивий і справжній, але ці назви виходять із вжитку.
Властивості
Електричний заряд
Кварки мають дробові значення електричного заряду — 1/3 або 2/3 від елементарного заряду (е), в залежності від аромату. U-Кварк, с- і t-кварк (кварки верхнього типу) мають електричний заряд +2/3 е, в той час як d-, s- і b-кварк (кварки нижнього типу) мають заряд -1/3 е. Антикварки мають протилежний до їхніх кварків заряд: антикварки верхнього типу -2/3 е, антикварки нижнього типу +1/3 е. Так як електричний заряд адронів є сумою зарядів кварків, всі адрони мають цілий заряд: баріони (є комбінацією трьох кварків), антибаріони (трьох антикварків) і мезони (комбінація кварка і антикварка). Наприклад, адронні компоненти атомних ядер, нейтрони і протони мають відповідно заряди 0, і +е; нейтрон складається з двох d-кварків і одного u-кварка, а протон — з двох u- і одного d-кварка.
Спін
Спін є внутрішньою властивістю елементарних частинок і його напрямок є важливим ступенем свободи. Часто його інтерпретують як обертання частинки навколо власної осі (звідси й назва з англ. Spin — обертати), але це поняття не є цілком коректним в субатомних масштабах, так як елементарні частинки вважаються точковими.
Спін може бути представлений вектором, довжина якого вимірюється в одиницях зведеної сталої Планка ħ. Для кварків компоненти вектора спіна вздовж будь-якої осі можуть набувати значень +ħ/2 або -ħ/2. З цієї причини кварки класифікуються як частинки з половинним спіном. Компоненти спіна вздовж заданої осі часто позначають стрілками; стрілка вверх ↑ для +1/2 і вниз ↓ для -1/2.
Слабка взаємодія
Кварк одного аромату може перетворюватись в кварк іншого аромату тільки через слабку взаємодію, одну з чотирьох фундаментальних взаємодій в фізиці. Поглинаючи або випускаючи W-бозон, будь-який кварк верхнього типу (u, c, t) може перетворитись в кварк нижнього типу (d, s, b) або навпаки. Цей механізм зміни аромату спричиняє радіоактивний бета-розпад, в якому нейтрон перетворюється в протон, електрон і антинейтрино. Це відбувається, коли один з нижніх кварків в нейтроні (udd) розпадається на кварк, випускаючи віртуальний W-бозон перетворюючи нейтрон в протон (uud). W-бозон потім розпадається на електрон і антинейтрино.
→ + + (бета-розпад, адронний запис) → + + (бета-розпад, кварковий запис)
І бета-розпад і зворотній до нього процес часто використовують в медицині, в позитронно-емісійній томографії (ПЕТ) і в експериментах з виявлення нейтрино. В той час як процес зміни аромату є однаковим для всіх кварків, кожен кварк ймовірніше перетворюється в кварк свого покоління. Відносні тенденції перетворень аромату описуються математичними таблицями, (CKM матрицями).
Де Vij показує ймовірність переходу кварка з ароматом i в кварк з ароматом j або навпаки.
Існує також еквівалентна матриця слабких взаємодій для лептонів (PMNS матриця). Разом матриці CKM і PMNS описують всі перетворення ароматів, але зв'язок між ними ще не відомий.
Сильна взаємодія і колірний заряд
Згідно з квантовою хромодинамікою (КХД), кварки мають колірний заряд. Існує три типи колірних зарядів, довільно названі синій, зелений і червоний. Кожен з них доповнюється антикольором: антисиній, антизелений і античервоний. Кожен кварк є переносником кольору, а антикварк — антикольору.