Kvark

A kvarkok azok az elemi részecskék, amelyekből a mezonok és a barionok (például a proton és a neutron) felépülnek. A spinjük 1/2 $\hbar$, tehát fermionok. A kvarkok részt vesznek mind az erős, mind az elektromágneses, mind a gyenge kölcsönhatásban. Az erős kölcsönhatáshoz azonban szorosabb kapcsolat is fűzi őket, az ő mértékszabadságuk határozza meg az erős kölcsönhatás mértékelméletét, a kvantumszíndinamikát.

Az egyes kvarkok fontosabb tulajdonságai

Magyar név	angol név	jelölés	nyugalmi tömeg (GeV/c²)	elektromos töltés (e)
Fel	Up	u	0,0015-0,005	2/3
Le	Down	d	0,017-0,025	-1/3
Bájos	Charm	c	1,1-1,4	2/3
Furcsa	Strange	s	0,06-0,17	-1/3
Felső	Top	t	165-180	2/3
Alsó	Bottom	b	4,1-4,4	-1/3

Minden kvarkhoz tartozik egy antirészecske amelynek a jele az "eredeti" részecske jele felülvonással: anti-u = ${\bar {u}}$.

A kvarkok színe

Az erős kölcsönhatás az úgynevezett színtöltéshez kapcsolódik. 1964-ben Oscar Wallace Greenberg feltette, hogy a kvarkoknak van még egy SU(3)-szimmetriához kapcsolódó töltése, amelyet ma színtöltésnek hívunk. A nevét azon analógia alapján kapta, hogy a hétköznapi értelemben vett színek 3 alapszínből kikeverhetők és ezért hasonlítanak egy SU(3)-transzformáció állapotaihoz. Az analógia azonban csak külsődleges. A színhez kapcsolódó színhullámfüggvényről feltéve, hogy az mindig szingulett, azaz antiszimmetrikus, sikerült megoldani a bariondekuplett Pauli-elvet sértő tulajdonságát, hiszen az eddig teljesen szimmetrikus hullámfüggvényhez hozzáadva az új antiszimmetrikus részt, az új teljes hullámfüggvény immár antiszimmetrikus lett.

Kvarkbezárás és aszimptotikus szabadság

Szabad kvarkokat nem sikerült kísérletileg megfigyelni, csak több kvark olyan kötött állapotát, amelyek színsemlegesek. Ilyenek például a három szín mindegyikét tartalmazó barionok, egy színt és egy antiszínt tartalmazó mezonok és a három antiszínt tartalmazó antibarionok. Ezt a jelenséget kvarkbezárásnak – vagy inkább színbezárásnak, mert a gluonokra is vonatkozik – nevezzük. Egzakt magyarázatot nem sikerült még találni rá, bár az erős kölcsönhatás nagyon erős csatolási állandójával és a közvetítő (szín)mező részecskéinek a gluonoknak az önkölcsönhatásával lehet magyarázni.

A két kvark közötti erős kölcsönhatás, szemben az elektromágnesessel, nem csökken akkor, ha növekszik a két kvark távolsága. Ezért ha két kvark nagy sebességgel távolodik egymástól, akkor energia szempontjából kedvezőbb, ha két újabb kvark (egy kvark és egy antikvark) keletkezik és megosztják a két eredeti kvark közötti erőteret. Ezt nevezzük hadronizációnak. A gyorsítókban szétrepülő kvarkok úgynevezett jeteket (ejtsd: dzset, angolból) hoznak létre: több tíz nagyjából egy irányba mozgó hadront.

Az erős csatolási állandó energiafüggő, a növekvő energiával – azaz csökkenő távolsággal – csökken az értéke, azaz az erős kölcsönhatás erőssége, ami az aszimptotikus szabadság jelenségéhez vezet. Ez egyrészt a nagy energiájú szórásfolyamatokban lehetővé teszi a kvantum-színdinamika perturbatív számítását. Másrészt a kötött állapotok belsejében - ahol a kis távolságok miatt nagy impulzusátadások a jellemzők - a kötött állapotot összetevő kvarkok és gluonok lényegében szabadon, azaz kölcsönhatásmentesen mozognak. Ez lehetővé teszi a szórásfolyamatokban a nagy energiájú szórás leválasztását a kis energiájú hadronizáció folyamatáról.

Nagy energiájú mag-mag ütközésekben, és az időben visszamenve az ősrobbanás felé pedig várható a kis helyre préselt hadronok kvarkanyaggá vagy kvark-gluon plazmává alakulása, ahol a kvarkok és gluonok elhagyják eredeti hadronbölcsőjüket és szabadon vándorolnak az egész plazmában. Az égitestek fejlődése során a neutroncsillag állapot után az elméletek szerint ilyen anyagból álló kvarkcsillag állapotba zuhanhatnak össze az elég nagy tömegű csillagok.

A kvarkok kötött állapotai

A neutron kvarkszerkezete. Három különböző színű kvarkot (piros-zöld-kék) tartalmaz, ezek közül egy u és két d-kvarkot

A pozitív pion (π⁺) kvarkszerkezete: Egy kék u-kvarkot és egy anti-kék anti-d-kvarkot tartalmaz

A kvarkok kötött állapotait hadronoknak is nevezzük. A szó jelentése a görög nyelvben: nehéz. Kétféle hadron van: barion és mezon. A szín szempontjából minden hadron semleges.

A barionok

Három kvark alkotja a szokásos barionokat (három antikvark az antibarionokat), ahol a három kvarknak három különböző színe van. A közismert proton összetétele uud, a neutroné udd. Minden barion fermion. A barionokat további két csoportba soroljuk, ezek a nukleonok és hiperonok. A nukleonok az atommag alkotórészei, a proton ill. a neutron. A hiperonok közé tartozik - többek között - a lambda- és a kszí-hiperon. A "hiperon" név a nagy tömegükre utal.

Van egy csak a barionok esetén nem nulla megmaradó mennyiség, a barionszám vagy bariontöltés. A barionok barionszáma +1, az antibarionoké -1. A barionszám-megmaradás miatt barionok csak antibarionokkal együtt, párban keletkezhetnek. Ez a tapasztalat vezetett a barionszám-megmaradás felismeréséhez az 1950-es években.

A mezonok

Egy kvark és egy antikvark alkotja a szokásos mezonokat. Ilyenek például a pionok. A π⁺ például egy u és egy anti-d kvarkból áll. Egy színt és a neki megfelelő antiszínt hordoznak. Minden mezon bozon. A mezonok barionszáma nulla, ezért ők nem csak párban keletkezhetnek.

A kvarkok tömege

A kvarkok tömegéről szokás sokszor ugyanúgy beszélni, mint más részecskék tömegéről, a tömeg fogalma a kvarkok esetén azonban mégis bonyolultabb, mivel a kvarkok nem figyelhetők meg szabadon. Ezért a kvarktömeg fogalma egy elméleti konstrukció, és mindig meg kell mondanunk, hogy adott esetben hogyan definiáljuk.

Áramkvark-tömegek

A QCD közelítő királis szimmetriája lehetővé teszi, hogy királis perturbációszámítással a pszeudoskalár mezonoktett tömegkombinációiból meghatározzuk a különféle (u, d és s) kvarktömegek arányait:

${\frac {m_{u}}{m_{d}}}=0.56$ és $\qquad {\frac {m_{s}}{m_{d}}}=20.1.$

A tény, miszerint m_u  ≠  0 nagyon fontos, mivel nem lenne erős CP-probléma eltűnő m_u esetén. Az abszolút tömegeket jelenleg QCD összegszabályokkal (másképpen spektrálfüggvény összegszabályokkal) és rács QCD számításokkal lehet meghatározni. Az így meghatározott kvarktömegeket áramkvarktömegeknek hívjuk. A különböző áramkvarktömeg definíciók közötti kapcsolat megértéséhez szükség van a renormálás teljes eszközrendszerére.

Összetevőkvark-tömegek

Egy másik, régebbi módszer a kvarktömegek definiálására a kvarkmodell Gell-Mann–Okubo-tömegösszefüggésének a használata, ami a hadrontömegeket a kvarktömegek segítségével adja meg. Az így meghatározott tömegeket összetevőkvark-tömegeknek nevezzük, amelyek jelentősen különböznek a fent definiált áramkvarktömegektől. Az összetevőtömegeknek nincs semmilyen további dinamikai jelentése.

Nehézkvark-tömegek

A nehéz c és b kvarkok tömegét egy nehéz kvarkot (és egy könnyű antikvarkot vagy két könnyű kvarkot) tartalmazó hadronok tömegéből és a kvarkóniumok vizsgálatából kaphatjuk meg. Rács-QCD számítások ezen kvarktömegek meghatározására a nehézkvark effektív elméletet (HQET) vagy a nemrelativisztikus kvantumszíndinamikát (NRQCD) használják

A t (top) kvark elég nehéz ahhoz, hogy a perturbatív QCD-t használhassuk tömege meghatározásához. 1995-ös felfedezése előtt a top kvark tömegére a legjobb elméleti becsléseket a standard modell precíziós tesztjeinek globális analízise adta. A top kvark azonban egyedülálló abban az értelemben, hogy elbomlik, mielőtt hadronizálódhatna, így tömege közvetlenül mérhető a bomlástermékekből.

Története

Az 1950-es években egymástól függetlenül Murray Gell-Mann és Nisidzsima Kazuhiko osztályozták a hadronokat elektromos töltésük, barionszámuk, izospinjük és ritkaságuk alapján, felismerve a Gell-Mann–Nisidzsima-összefüggést az említett kvantumszámok között. 1961-ben Gell-Mann és Júvál Neemán SU(3)-multiplettekbe (oktettekbe és dekuplettekbe) sorolta a hadronokat. 1964-ben azután Gell-Mann és George Zweig bevezették a kvarkokat, mint elemi építőköveket, amelyekkel (eredetileg hárommal) fel tudták építeni az összes ismert hadront, sőt a dekuplettből hiányzó Ω⁻ hiperont és tulajdonságait is megjósolták, amit még abban az évben felfedeztek. A kvarkmodell egy globális íz-SU(3) szimmetria, ami része a QCD közelítő királis szimmetriájának.

Nagyenergiájú hadronreakciók tulajdonságainak vizsgálata arra vezette Richard Feynmant, hogy posztulálja a hadronok szubstruktúráit, amiket ő partonoknak nevezett. A mélyen rugalmatlan szórások hatáskeresztmetszetének skálázását, ami az áramalgebrából származtatható, James Bjorken a partonok segítségével magyarázta meg. Amikor a Bjorken-skálázást egy 1969-es kísérlet igazolta, akkor felismerték, hogy a kvarkok és a partonok ugyanazok az objektumok lehetnek. A kapcsolatot a QCD aszimptotikus szabadságának bizonyítása (1973: David Gross, Frank Wilczek és David Politzer) erősítette meg. A proton szerkezetének (struktúrafüggvényeinek) későbbi kísérleti vizsgálata kimutatta, hogy a proton impulzusának csak mintegy felét viszi a kvarkmodellből ismert három összetevő kvark (uud), a többit egyéb objektumok. Ezt a három kvarkot – általában is hadronok esetén a kvarkmodell által megadott kvarkokat – vegyértékkvarkoknak nevezzük, a többi alkotórészt pedig virtuális gluonokkal és kvark-antikvark párokkal sikerült azonosítani, amiket együtt tenger-nek nevezünk, a benne levő kvarkokat pedig tengerkvark-oknak.

A c kvarkot ("bájos kvark") 1973-ban Sheldon Glashow, Iliopoulos és Maiani posztulálta, hogy megelőzze a standard modell nemfizikai ízváltásait a gyenge bomlásokban. A J/ψ-mezon (két csoport által, az egyik az egyik, a másik a másik nevet adta, végül egyesítették a két nevet) 1975-ös felfedezése után felismerték, hogy ez egy c kvarkból és antikvarkból áll.

A kvarkok harmadik generációját Kobayashi és Maskawa jósolta meg, miután felismerték, hogy a megfigyelt CP-sértés nem integrálható bele a standard modellbe, ha csak két generáció létezik. A bottom (b) kvarkot 1977-ben, a top (t) kvarkot 1996-ban fedezték fel a Fermilabban, az utóbbit a Tevatronnal.

A kvark név etimológiája

Gell-Mann James Joyce könyvéből, a Finnegan’s Wake-ből vette a kvark szót és annak angol betűzését:

Three quarks for Muster Mark!
Sure he has not got much of a bark
And sure any he has it's all beside the mark.

„Három kvarkot Mark mesternek!...” A quark (kvark) kifejezés a hark! (hé!) és a quart (negyedgallonos sör) szavak összevonásával jött létre.

Források

• ↑ Korytov: 3 quarks: u, d, s: Introduction to Elementary Particle Physics: Three quarks: u, d, s. www.phys.ufl.edu

További információk

Web

• A kvark szó irodalmi eredete Archiválva 2016. március 5-i dátummal a Wayback Machine-ben
• A kvarkok titka

Könyvek

• Apfel, Necia: It’s All Elementary: From Atoms to the Quantum World of Quarks, Leptons, and Gluons. New York: HarperColllins, 1997
• Berger, Melvin: Atoms, Molecules and Quarks. New York: Penguin Young Readers’ Group, 1996
• Bortz, Fred: Quarks. Cherry Hill, NJ: Rosen Publishing, 2004
• Gell-Mann, Murry: The Quark and the Jaguar. New York: Abacus Books, 1995
• Kidd, Jerry: Nuclear Power: The Study of Quarks and Sparks. New York: Facts on File, 2006
• Schwartz, David: Q Is for Quark: A Science Alphabet Book. Berkeley, CA: Ten Speed Press, 2001

A Wikimédia Commons tartalmaz Kvark témájú médiaállományokat.