Quark - Quark

z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Quark
Tři barevné koule (symbolizující kvarky) spojené párově pružinami (symbolizující gluony), vše uvnitř šedého kruhu (symbolizujícího proton).  Barvy koulí jsou červená, zelená a modrá, aby paralelně barevný náboj každého kvarku.  Červené a modré kuličky jsou označeny „u“ (pro kvark „nahoru“) a zelená koule je označena „d“ (pro „kvark“ dolů).
Proton se skládá ze dvou až kvarků , jeden dolů tvarohu , a gluonů , které zprostředkovávají síly „vazebné“ dohromady. Přiřazení barev jednotlivých kvarků je libovolný, ale všechny tři barvy, musí být přítomen; červená, modrá a zelená se používají jako analogie k primárním barvám, které společně vytvářejí bílou barvu.
Složení Elementární částice
Statistika Fermionický
Generace 1., 2., 3. místo
Interakce Elektromagnetismus , gravitace , silný , slabý
Symbol
q
Antičástice Antikvark (
q
)
Teoretizoval
Objevil SLAC (c. 1968)
Typy 6 ( nahoru , dolů , divné , kouzlo , dole a nahoře )
Elektrický náboj + 2/3 e , -1/3 E
Barevný náboj Ano
Roztočit 1/2
Baryonovo číslo 1/3

Tvaroh ( / k w ɔːr k , k w ɑːr k / ) je typ elementárních částic a základní složka hmoty . Kvarky se spojí a vytvoří složené částice zvané hadrony , z nichž nejstabilnější jsou protony a neutrony , složky atomových jader . Veškerá běžně pozorovatelná hmota se skládá z kvarků nahoru, kvarků dolů a elektronů . Kvůli jevu známému jako vězení barev se kvarky nikdy nenacházejí izolovaně; lze je nalézt pouze v hadronech, které zahrnují baryony (například protony a neutrony) a mezony , nebo v kvark-gluonových plazmech . Z tohoto důvodu bylo mnoho z toho, co je známo o kvarkech, čerpáno z pozorování hadronů.

Kvarky mají různé vnitřní vlastnosti , včetně elektrického náboje , hmotnosti , barevného náboje a rotace . Jsou to pouze elementární částice ve standardním modelu z částicové fyziky vyzkoušet všechny čtyři základní interakce , také známý jako základní síly ( elektromagnetismu , gravitace , silné interakce , a slabé interakce ), jakož i pouze známých částic, jejichž elektrické náboje nejsou celočíselné násobky elementárního náboje .

Existuje šest druhů, známých jako příchutě , kvarků: nahoru , dolů , kouzlo , podivné , horní a dolní . Kvarky nahoru a dolů mají nejnižší hmotnosti ze všech kvarků. Těžší kvarky se procesem rozpadu částic rychle mění na kvarky nahoru a dolů : transformace ze stavu s vyšší hmotností do stavu s nízkou hmotností. Z tohoto důvodu jsou kvarky nahoru a dolů obecně stabilní a nejběžnější ve vesmíru , zatímco podivné, kouzelné, spodní a vrchní kvarky mohou být vytvářeny pouze při srážkách s vysokou energií (např. Při kosmickém záření a v urychlovačích částic ). Pro každou příchuť tvarohu existuje odpovídající typ antičástice , známý jako antikvark , který se liší od tvarohu pouze v tom, že některé jeho vlastnosti (například elektrický náboj) mají stejnou velikost, ale opačné znaménko .

Model kvarku nezávisle navrhli fyzici Murray Gell-Mann a George Zweig v roce 1964. Kvarky byly představeny jako součást schématu objednávání hadronů a do doby jejich hlubokých nepružných rozptylových experimentů ve Stanfordském lineárním urychlovacím centru bylo jen málo důkazů o jejich fyzické existenci. v roce 1968. Pokusy s akcelerátorem poskytly důkazy o všech šesti příchutích. Horní kvark, který byl poprvé pozorován ve Fermilab v roce 1995, byl objeven jako poslední.

Klasifikace

Tabulka částic čtyři ku čtyřem.  Sloupy jsou tři generace hmoty (fermiony) a jedna ze sil (bosony).  V prvních třech sloupcích obsahují dva řádky kvarky a dva leptony.  Sloupce horních dvou řádků obsahují kvarky nahoru (u) a dolů (d), kvarky (c) a podivné (s) kvarky, kvarky horní (t) a dolní (b) a foton (γ) a gluon (g) , resp.  Sloupce spodních dvou řádků obsahují elektronové neutrino (ν sub e) a elektron (e), mionové neutrino (ν sub μ) a muon (μ) a tau neutrino (ν sub τ) a tau (τ) a Z sup 0 a W sup ± slabá síla.  Hmotnost, náboj a rotace jsou uvedeny pro každou částici.
Šest z částic ve standardním modelu jsou kvarky (zobrazené fialově). Každý z prvních tří sloupců tvoří generaci hmoty.

Standardní model je teoretický rámec, který popisuje všechny známé elementární částice . Tento model obsahuje šest příchutí kvarků (
q
), S názvem up (
u
), dolů (
d
), zvláštní (
s
), kouzlo (
C
), dole (
b
) a nahoře (
t
). Antičástice kvarků se nazývají antikvarky a jsou označeny čárkou nad symbolem pro odpovídající kvark, například
u
pro antikvark. Stejně jako u antihmoty obecně mají antikvarky stejnou hmotnost, střední životnost a rotaci jako jejich příslušné kvarky, ale elektrický náboj a další náboje mají opačné znaménko.

Kvarky se otáčejí1/2částice, z čehož vyplývá, že jsou to fermiony podle věty o spinových statistikách . Podléhají Pauliho principu vyloučení , který stanoví, že žádné dva stejné fermiony nemohou současně obsadit stejný kvantový stav . To je na rozdíl od bosonů (částic s celočíselným spinem), jejichž libovolný počet může být ve stejném stavu. Na rozdíl od leptonů mají kvarky barevný náboj , který způsobuje, že se zapojují do silné interakce . Výsledná přitažlivost mezi různými kvarky způsobuje tvorbu složených částic známých jako hadrony (viz níže „ Silná interakce a barevný náboj “).

Kvarky, které určují kvantová čísla hadronů, se nazývají valenční kvarky ; kromě toho může jakýkoli hadron obsahovat neurčitý počet virtuálníchmořských “ kvarků, antikvarků a gluonů , které neovlivňují jeho kvantová čísla. Existují dvě rodiny hadronů: baryony se třemi valenčními kvarky a mezony s valenčními kvarky a antikvarky. Nejběžnějšími baryony jsou proton a neutron, stavební kameny atomového jádra . Je známo velké množství hadronů (viz seznam baryonů a seznam mezonů ), přičemž většina z nich se odlišuje podle obsahu kvarků a vlastností, které tyto kvarky tvoří. Existence „exotických“ hadronů s více valenčními kvarky, například tetraquarků (
q

q

q

q
) a pentakvarky (
q

q

q

q

q
), se domníval od počátků modelu kvarku, ale nebyl objeven až na počátku 21. století.

Elementární fermiony jsou seskupeny do tří generací , z nichž každá obsahuje dva leptony a dva kvarky. První generace zahrnuje kvarky nahoru a dolů, druhá podivné a kouzelné kvarky a třetí spodní a horní kvarky. Všechna hledání čtvrté generace kvarků a dalších elementárních fermionů selhala a existují silné nepřímé důkazy o tom, že neexistují více než tři generace. Částice ve vyšších generacích mají obecně větší hmotnost a menší stabilitu, což způsobí jejich rozpad na částice nižší generace pomocí slabých interakcí . V přírodě se běžně vyskytují pouze kvarky první generace (nahoru a dolů). Těžší kvarky mohou být vytvořeny pouze při srážkách s vysokou energií (například v těch, které zahrnují kosmické paprsky ) a rychle se rozpadají; předpokládá se však, že byli přítomni během prvních zlomků sekundy po Velkém třesku , kdy byl vesmír v extrémně horké a husté fázi ( epocha kvarku ). Studie těžších kvarků se provádějí v uměle vytvořených podmínkách, například v urychlovačích částic .

S elektrickým nábojem, hmotou, barevným nábojem a chutí jsou kvarky jediné známé elementární částice, které se účastní všech čtyř základních interakcí současné fyziky: elektromagnetismu, gravitace, silné interakce a slabé interakce. Gravitace je příliš slabá na to, aby byla relevantní pro interakce jednotlivých částic, s výjimkou extrémů energie ( Planckova energie ) a vzdáleností ( Planckova vzdálenost ). Jelikož však neexistuje žádná úspěšná kvantová teorie gravitace , standardní model gravitaci nepopisuje.

V tabulce vlastností níže najdete úplnější přehled vlastností šesti příchutí kvarku.

Dějiny

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

Model kvarku nezávisle navrhli fyzici Murray Gell-Mann a George Zweig v roce 1964. Návrh přišel krátce po Gell-Mannově formulaci systému klasifikace částic známém jako Osminásobná cesta z roku 1961 - nebo, více technicky, SU (3) chuťová symetrie , zefektivnění její struktury. Fyzik Yuval Ne'eman ve stejném roce nezávisle vyvinul schéma podobné Osminásobné cestě. V modelu Sakata byl k dispozici časný pokus o organizaci voliče .

V době vzniku teorie kvarků zahrnovala „ částicová zoo “ mimo jiné i velké množství hadronů . Gell-Mann a Zweig předpokládali, že nejde o elementární částice, nýbrž jsou složeny z kombinací kvarků a antikvarků. Jejich model zahrnoval tři příchutě kvarků, nahoru , dolů a podivné , kterým přisuzovaly vlastnosti, jako je spin a elektrický náboj. Počáteční reakce komunity fyziky na návrh byla smíšená. Existovalo zvláštní tvrzení o tom, zda byl tvaroh fyzickou entitou nebo pouhou abstrakcí používanou k vysvětlení konceptů, které nebyly v té době plně pochopeny.

Za méně než rok byla navržena rozšíření modelu Gell-Mann – Zweig. Sheldon Lee Glashow a James Bjorken předpovídali existenci čtvrté příchuti tvarohu, kterému říkali kouzlo . Přidání bylo navrženo, protože umožňovalo lepší popis slabé interakce (mechanismus, který umožňuje rozpad kvarků), vyrovnal počet známých kvarků s počtem známých leptonů a implikoval hmotnostní vzorec, který správně reprodukoval hmotnosti známé mezony .

V roce 1968 ukázaly hluboké nepružné rozptylové experimenty ve Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), že proton obsahoval mnohem menší, bodově podobné objekty, a proto nebyl elementární částicou. Fyzici se v té době zdráhali pevně identifikovat tyto objekty pomocí kvarků, místo toho je nazývali „ partony “ - termín, který vytvořil Richard Feynman . Objekty, které byly pozorovány na SLAC, byly později identifikovány jako kvarky nahoru a dolů, když byly objeveny další příchutě. „Parton“ se však stále používá jako souhrnný termín pro složky hadronů (kvarky, antikvarky a gluony ).

Fotografie stop bublinové komory vedle schématu stejných stop.  Neutrino (na fotografii neviditelné) vstupuje zdola a koliduje s protonem, čímž vzniká záporně nabitý mion, tři kladně nabité piony a jeden záporně nabitý pion, stejně jako neutrální lambda baryon (na fotografii neviditelný).  Lambda baryon se pak rozpadá na proton a záporný pion a vytváří „V“ vzor.
Fotografie události, která vedla k objevení
Σ++
c
baryon
, v Brookhaven National Laboratory v roce 1974

Existence podivného kvarku byla nepřímo ověřena rozptylovými experimenty SLAC: byla to nejen nezbytná součást modelu tří kvarků Gell-Manna a Zweiga, ale také to poskytlo vysvětlení pro kaon (
K.
) a pion (
π
) hadrony objevené v kosmickém záření v roce 1947.

V článku z roku 1970 představili Glashow, John Iliopoulos a Luciano Maiani takzvaný mechanismus GIM, který vysvětlil experimentální nepozorování neutrálních proudů měnících chuť . Tento teoretický model vyžadoval existenci dosud neobjeveného kouzlového kvarku . Počet domnělých tvarohových příchutí vzrostl na současných šest v roce 1973, kdy Makoto Kobayashi a Toshihide Maskawa poznamenali, že experimentální pozorování porušení CP lze vysvětlit, pokud by existovala další dvojice kvarků.

Kouzelné kvarky byly vyrobeny téměř současně dvěma týmy v listopadu 1974 (viz listopadová revoluce ) - jeden v SLAC pod Burtonem Richterem a jeden v Brookhavenské národní laboratoři pod Samuelem Tingem . Kouzelné kvarky byly pozorovány vázané na kouzelné antikvary v mezonech. Obě strany přiřadily objevenému mezonu dva různé symboly, J a ψ ; tak se stal formálně známým jako
J / ψ
mezon
. Objev nakonec přesvědčil fyzikální komunitu o platnosti modelu kvarků.

V následujících letech se objevila řada návrhů na rozšíření modelu kvarku na šest kvarků. Z nich papír Haima Harariho z roku 1975 byl prvním, kdo razil termíny horní a dolní pro další kvarky.

V roce 1977 byl spodní kvark pozorován týmem ve Fermilab pod vedením Leona Ledermana . To byl silný indikátor existence top kvarku: bez top kvarku by spodní kvark byl bez partnera. Avšak až v roce 1995 byl top kvark konečně pozorován, také týmy CDF a ve Fermilab. Měl hmotu mnohem větší, než se původně očekávalo, téměř stejně velkou jako atom zlata .

Etymologie

Po určitou dobu nebyl Gell-Mann nerozhodnut o skutečném pravopisu pro termín, který chtěl použít, dokud nenašel slovo kvark v knize Finnegans Wake od Jamese Joyce z roku 1939 :

- Tři kvarky pro Muster Marka!
Jistě, že nemá moc štěkotu.
A určitě, že má, je to všechno vedle značky.

Slovo kvark je zastaralé anglické slovo, které znamená kvákat, a výše citované řádky se týkají ptačího sboru posměšného krále Marka z Cornwallu v legendě o Tristanovi a Iseultovi . Zejména v německy mluvících částech světa existuje rozšířená legenda, ale Joyce ji převzal ze slova Quark , německého slova slovanského původu, které označuje mléčný výrobek , ale je také hovorovým výrazem pro „odpadky“. V legendě se říká, že to slyšel na cestě do Německa na rolnickém trhu ve Freiburgu . Někteří autoři však hájí možný německý původ Joyceova slova kvark . Gell-Mann zašel do dalších podrobností ohledně názvu kvarku ve své knize z roku 1994 The Quark and the Jaguar :

V roce 1963, když jsem základním složkám nukleonu přidělil jméno „kvark“, měl jsem zvuk jako první, bez pravopisu, který mohl být „kwork“. Potom, v jednom z mých příležitostných perusals Finnegans Wake , od Jamese Joyce, jsem narazil na slovo "kvark" ve frázi "Tři kvarky pro Muster Marka". Vzhledem k tomu, že „kvark“ (což znamená, na jednu věc, výkřik racka), byl zjevně zamýšlen jako rým s „Markem“, stejně jako „kůra“ a další podobná slova, musel jsem si najít výmluvu, abych jej mohl vyslovit jako „kwork“ ". Kniha však představuje sen publikána jménem Humphrey Chimpden Earwicker. Slova v textu jsou obvykle kreslena z několika zdrojů najednou, například slova „ portmanteau “ ve hře Through the Looking-Glass . V knize se čas od času vyskytnou fráze, které jsou částečně určeny výzvou k pití v baru. Tvrdil jsem tedy, že možná jedním z mnoha zdrojů výkřiku „Tři kvarky pro Muster Marka“ může být „Tři kvarky pro pana Marka“, v takovém případě by výslovnost „kwork“ nebyla zcela neoprávněná. V každém případě číslo tři dokonale odpovídalo způsobu, jakým se v přírodě vyskytují kvarky.

Zweig upřednostňoval eso pro částici, kterou teoretizoval, ale Gell-Mannova terminologie se dostala do popředí, jakmile byl model kvarku běžně přijímán.

Tvarohové příchutě dostaly svá jména z několika důvodů. Kvarky nahoru a dolů jsou pojmenovány po složkách isospinu nahoru a dolů , které nesou. Podivné kvarky dostaly své jméno, protože byly objeveny jako složky podivných částic objevených v kosmickém záření roky před navržením modelu kvarku; tyto částice byly považovány za „podivné“, protože měly neobvykle dlouhou životnost. Glashow, který spolu s Bjorkenem navrhl kouzelný kvark, je citován slovy: „Náš konstrukt jsme nazvali„ kouzelný kvark “, protože nás fascinovala a potěšila symetrie, kterou přinesl do subnukleárního světa.“ Názvy „bottom“ a „top“, vytvořené Harari, byly vybrány, protože jsou „logickými partnery pro kvarky nahoru a dolů“. Alternativní názvy pro spodní a horní kvarky jsou „krása“ a „pravda“, ale tyto názvy se do jisté míry nepoužívaly. „Pravda“ se nikdy neuchytila, komplexům urychlovačů věnovaným masivní produkci spodních kvarků se někdy říká „ továrny na krásu “.

Vlastnosti

Elektrický náboj

Kvarky mají hodnoty zlomkového elektrického náboje - buď (-1/3) nebo (+2/3) krát základní náboj (e), v závislosti na chuti. Up, kouzlo a vrchní kvarky (souhrnně označované jako up-type kvarky ) mají náboj +2/3 e, zatímco dolní, zvláštní a dolní kvarky ( dolní kvarky ) mají -1/3 E. Antikvarky mají opačný náboj než jejich odpovídající kvarky; starožitné antikvary mají obvinění z -2/3 Starožitnosti e a downquark mají poplatky +1/3 E. Vzhledem k tomu, že elektrický náboj hadronu je součtem nábojů jednotlivých kvarků, mají všechny hadrony celočíselné náboje: výsledkem je vždy kombinace tří kvarků (baryonů), tří antikvarků (antibaryonů) nebo kvarku a antikvarku (mezonů). v celočíselných poplatcích. Například hadronové složky atomových jader, neutrony a protony, mají náboje 0 e, respektive +1 e; neutron se skládá ze dvou down kvarků a jednoho up kvarku a protonu dvou up kvarků a jednoho down kvarku.

Roztočit

Spin je vnitřní vlastností elementárních částic a jeho směr je důležitým stupněm svobody . Někdy je to vizualizováno jako rotace objektu kolem jeho vlastní osy (odtud název „ rotace “), i když tento pojem je v subatomárních měřítcích poněkud zavádějící, protože elementární částice jsou považovány za bodové .

Točení může být reprezentováno vektorem, jehož délka se měří v jednotkách redukované Planckovy konstanty ħ (vyslovuje se „h bar“). U kvarků může měření složky vektoru rotace podél libovolné osy přinést pouze hodnoty +ħ/2 nebo -ħ/2; Z tohoto důvodu jsou kvarky klasifikovány jako spin1/2částice. Složka rotace podél dané osy - podle konvence osa z - je často označena šipkou nahoru ↑ pro hodnotu +1/2 a šipka dolů ↓ pro hodnotu -1/2, umístěný za symbolem pro chuť. Například up kvark se zatočením +1/2podél osy z je označeno u ↑.

Slabá interakce

Stromový diagram skládající se převážně z přímých šipek.  Dolní kvark se rozvětvuje na horní kvark a vlnitý šíp W [superscript minus] boson, druhý se rozvětvuje do elektronu a elektronového antineutrina s obrácenou šipkou.
Feynman diagram z beta rozpadu se čas proudí směrem nahoru. Matice CKM (popsaná níže) kóduje pravděpodobnost tohoto a dalších rozpadů kvarku.

Kvarek jedné příchuti se může přeměnit na tvaroh jiné příchuti pouze slabou interakcí, jednou ze čtyř základních interakcí ve fyzice částic. Absorpcí nebo emitováním W bosonu se jakýkoli kvark vyššího typu (horní kvarter a vrchní kvarky) může změnit na jakýkoli kvark nižšího typu (kvarky dolní, podivné a spodní kvarky) a naopak. Tento mechanismus transformace chuti způsobuje radioaktivní proces rozpadu beta , při kterém neutron (
n
) „rozdělí se“ na proton (
p
), elektron (
E-
) a elektronové antineutrino (
ν
E
) (viz obrázek). K tomu dochází, když jeden z down kvarků v neutronu (
u

d

d
) se rozpadá na kvark vyzařováním virtuálního
Ž-
boson, transformující neutron na proton (
u

u

d
). The
Ž-
boson se pak rozpadá na elektron a elektronové antineutrino.

 
n
 
p
+
E-
+
ν
E
(Beta rozpad, notace hadronů)

u

d

d

u

u

d
+
E-
+
ν
E
(Beta rozpad, notace kvarku)

Jak rozpad beta, tak inverzní proces inverzního rozkladu beta se běžně používají v lékařských aplikacích, jako je pozitronová emisní tomografie (PET) a v experimentech zahrnujících detekci neutrin .

Tři koule „u“, „c“ a „t“ označily „kvarky vyššího typu“ stojí nad třemi kuličkami „d“, „s“, „b“ označily „kvark nižšího typu“.  Koule „u“, „c“ a „t“ jsou svisle zarovnány s koulemi „d“, „s“ ab „. Barevné čáry spojují kvarky„ up-type “a„ down-type “, se tmavou barvou, která naznačuje sílu slabé interakce mezi nimi; čáry „d“ až „u“, „c“ až „s“ a „t“ až „b“ jsou tmavé; čáry „c“ „až“ d ”a“ s ”až“ u ”jsou šedivé a řádky„ b “až„ u “,„ b “až„ c “,„ t “až„ d “a„ t “až„ s “ „jsou téměř bílé.
Tyto síly ze slabých interakcí mezi šesti kvarky. "Intenzity" linek jsou určovány prvky matice CKM .

Zatímco proces transformace chuti je stejný pro všechny kvarky, každý kvark má přednost transformovat se do kvarku své vlastní generace. Relativní tendence všech transformací příchutí popisuje matematická tabulka , která se nazývá matice Cabibbo – Kobayashi – Maskawa (matice CKM). Vynucující jednotnost , přibližné velikosti položek matice CKM jsou:

kde V ij představuje tendenci kvarku chuti i změnit se na kvark chuti j (nebo naopak).

Existuje ekvivalentní slabá interakční matice pro leptony (pravá strana W bosonu na výše uvedeném diagramu rozpadu beta), která se nazývá matice Pontecorvo – Maki – Nakagawa – Sakata (PMNS matice). Matice CKM a PMNS společně popisují všechny transformace příchutí, ale vazby mezi těmito dvěma nejsou dosud jasné.

Silná interakce a barevný náboj

Zelená a purpurová („antigreen“) šipka se navzájem ruší a představují mezon;  červená, zelená a modrá šipka rušící se na bílou, představující baryon;  žlutá („antiblue“), purpurová a azurová („antired“) šipka rušící se na bílou, představující antibaryon.
Všechny typy hadronů mají nulový celkový barevný náboj.
Vzor silných nábojů pro tři barvy kvarku, tři antikvarky a osm gluonů (se dvěma překrývajícími se nulovým nábojem).

Podle kvantové chromodynamiky (QCD) mají kvarky vlastnost zvanou barevný náboj . Existují tři typy barevného náboje, libovolně označené modrou , zelenou a červenou . Každý z nich je doplněn anticolor - antiblue , antigreen a antired . Každý kvark nese barvu, zatímco každý antikvark nese anticolor.

Systém přitažlivosti a odporu mezi kvarky nabitými různými kombinacemi tří barev se nazývá silná interakce , která je zprostředkována silami nesoucími částicemi známými jako gluony ; toto je podrobně diskutováno níže. Teorie, která popisuje silné interakce, se nazývá kvantová chromodynamika (QCD). Tvaroh, který bude mít jednu barevnou hodnotu, může tvořit vázaný systém s antikvarkem nesoucím odpovídající anticolor. Výsledkem dvou přitahujících kvarků bude barevná neutralita: kvark s barevným nábojem ξ plus antikvark s barevným nábojem - ξ bude mít za následek barevný náboj 0 (neboli „bílou“ barvu) a vznik mezonu . To je analogické s aditivním barevným modelem v základní optice . Podobně kombinace tří kvarků, z nichž každý má různé barevné náboje, nebo tří antikvarků, z nichž každý má anticolorové náboje, povede ke stejnému „bílému“ barevnému náboji a tvorbě baryonu nebo antibaryonu .

V moderní částicové fyzice, měřidlo symetrie - druh skupiny symetrie - se vztahují interakce mezi částicemi (viz teorie měřidla ). Barva SU (3) (běžně zkráceně SU (3) c ) je symetrie měřidla, která souvisí s barevným nábojem v kvarkech a je určující symetrií pro kvantovou chromodynamiku. Stejně jako fyzikální zákony jsou nezávislé na které směry v prostoru jsou označeny x , y , a z, a nemění v případě, že souřadnicové osy se otáčí k nové orientaci, fyzika kvantových chromodynamiky je nezávislá na tom, který směrů v trojrozměrné barevný prostor je označen jako modrý, červený a zelený. SU (3) c barevné transformace odpovídají „rotacím“ v barevném prostoru (což je matematicky řečeno komplexní prostor ). Každá tvarohová příchuť f , každá s podtypy f B , f G , f R odpovídající barvám kvarku, tvoří triplet: třísložkové kvantové pole, které se transformuje pod základní reprezentací SU (3) c . Požadavek, aby SU (3) c měl být lokální - to znamená, že jeho transformace se mohou měnit s prostorem a časem - určuje vlastnosti silné interakce. Zejména to znamená existenci osmi typů gluonů, které působí jako jeho nosiče síly.

Hmotnost

Aktuální kvarkové hmoty pro všech šest příchutí ve srovnání, jako kuličky proporcionálních objemů. Proton (šedá) a elektronová  (červená) jsou zobrazeny v levém dolním rohu pro měřítko.

Při označování hmotnosti kvarku se používají dva výrazy: současná hmota kvarku označuje hmotnost kvarku sama o sobě, zatímco hmota kvarku , která je jeho součástí, označuje současnou hmotu kvarku plus hmotnost pole gluonových částic obklopujících kvark. Tyto hmoty mají obvykle velmi odlišné hodnoty. Většina hmoty hadronu pochází spíše z gluonů, které váží základní kvarky dohromady, než ze samotných kvarků. Zatímco gluony jsou ze své podstaty nehmotné, mají energii - přesněji řečeno kvantovou chromodynamickou vazebnou energii (QCBE) - a právě ta významně přispívá k celkové hmotnosti hadronu (viz hmotnost ve speciální relativitě ). Například proton má hmotnost přibližně 938  MeV / c 2 , přičemž zbytková hmotnost jeho tří valenčních kvarků přispívá pouze asi 9 MeV / c 2 ; hodně ze zbytku lze připsat polní energii gluonů. Viz rozbití chirální symetrie . Standardní model předpokládá, že elementární částice odvozují své hmotnosti z Higgsova mechanismu , který je spojen s Higgsovým bosonem . Doufáme, že další výzkum důvodů velké hmotnosti top kvarku ~ 173 GeV / c 2 , téměř hmotnosti atomu zlata, by mohl odhalit více o původu hmoty kvarků a dalších elementárních částic.

Velikost

V QCD jsou kvarky považovány za bodové entity s nulovou velikostí. Od roku 2014 experimentální důkazy naznačují, že nejsou větší než 10–4krát větší než proton, tj. Méně než 10–19 metrů.

Tabulka vlastností

Následující tabulka shrnuje klíčové vlastnosti šesti kvarků. Kvantová čísla příchutí ( isospin ( I 3 ), kouzlo ( C ), podivnost ( S , nezaměňovat s rotací), topness ( T ) a bottomness ( B ′)) jsou přiřazeny určitým tvarohovým příchutím a označují vlastnosti systémy založené na tvarohu a hadrony. Baryonové číslo ( B ) je +1/3pro všechny kvarky, protože baryony jsou vyrobeny ze tří kvarků. U antikvarků je elektrický náboj ( Q ) a všechna kvantová čísla příchuti ( B , I 3 , C , S , T a B ') opačné znaménko. Hmotnost a celková moment hybnosti ( J ; rovná se rotaci pro bodové částice) nemění znaménko pro antikvarky.

Vlastnosti tvarohové chuti
Částice Hmotnost ( MeV / c 2 ) * J B Q ( e ) I 3 C S T B ' Antičástice
název Symbol název Symbol
První generace
nahoru
u
2,3 ± 0,7  ± 0,5 1/2 +1/3 +2/3 +1/2 0 0 0 0 antiup
u
dolů
d
4,8 ± 0,5  ± 0,3 1/2 +1/3 -1/3 -1/2 0 0 0 0 antidown
d
Druhá generace
kouzlo
C
1275 ± 25 1/2 +1/3 +2/3 0 +1 0 0 0 anticharm
C
zvláštní
s
95 ± 5 1/2 +1/3 -1/3 0 0 -1 0 0 antistrange
s
Třetí generace
horní
t
173 210 ± 510 ± 710 * 1/2 +1/3 +2/3 0 0 0 +1 0 antitop
t
dno
b
4180 ± 30 1/2 +1/3 -1/3 0 0 0 0 -1 protijed
b

J = celkový moment hybnosti , B = baryonové číslo , Q = elektrický náboj ,
I 3 = isospin , C = kouzlo , S = zvláštnost , T = topita , B ′ = bottomness .

* Zápis jako např173 210 ± 510  ± 710 v případě top kvarku označuje dva typy
nejistoty měření
: První nejistota je statistické povahy a druhá je systematická .

Interakční kvarky

Jak je popsáno kvantovou chromodynamikou , silná interakce mezi kvarky je zprostředkována gluony, nehmotnými vektorovými měřicími bosony . Každý gluon nese jeden barevný náboj a jeden anticolor náboj. Ve standardním rámci interakce částic (součást obecnější formulace známé jako teorie poruch ) jsou gluony neustále vyměňovány mezi kvarky prostřednictvím virtuálního procesu emise a absorpce. Když se gluon přenáší mezi kvarky, dochází ke změně barvy u obou; například pokud červený kvark emituje červený – antigreenový gluon, stane se zelený a pokud zelený kvark absorbuje červený – antigreenový gluon, stane se červený. Proto se barva každého kvarku neustále mění, ale jeho silná interakce je zachována.

Jelikož gluony nesou barevný náboj, jsou samy schopné emitovat a absorbovat další gluony. To způsobuje asymptotickou svobodu : s přiblížením kvarků k sobě chromodynamická vazebná síla mezi nimi klesá. Naopak, jak se zvyšuje vzdálenost mezi kvarky, vazebná síla se posiluje. Barevné pole je namáháno, stejně jako je při roztažení namáhán elastický pás a spontánně je vytvořeno více gluonů vhodné barvy pro posílení pole. Nad určitou prahovou hodnotu energie se vytvářejí páry kvarků a antikvarků . Tyto páry se váží s oddělovanými kvarky, což způsobuje vznik nových hadronů. Tento jev je znám jako vězení barev : kvarky se nikdy neobjevují izolovaně. K tomuto procesu hadronizace dochází dříve, než jsou kvarky, vytvořené při vysokoenergetické kolizi, schopné interagovat jakýmkoli jiným způsobem. Jedinou výjimkou je top kvark, který se může rozpadnout, než bude hadronizovat.

Mořské kvarky

Hadrony obsahují spolu s valenčními kvarky (
q
proti
), které přispívají k jejich kvantovému počtu , virtuální kvark – antikvark (
q

q
) páry známé jako mořské kvarky (
q
s
). Mořské kvarky se tvoří, když se gluon barevného pole hadronu rozdělí; tento proces také funguje obráceně v tom, že zničení dvou mořských kvarků produkuje gluon. Výsledkem je neustálý tok gluonových štěpení a výtvorů hovorově známých jako „moře“. Mořské kvarky jsou mnohem méně stabilní než jejich valenční protějšky a obvykle se navzájem ničí uvnitř hadronu. Navzdory tomu mohou mořské kvarky za určitých okolností hadronizovat na baryonické nebo mezonické částice.

Další fáze kvarkové hmoty

Plazma kvark – gluon existuje při velmi vysokých teplotách;  Hadronová fáze existuje při nižších teplotách a baryonických hustotách, zejména jaderné hmotě pro relativně nízké teploty a střední hustoty;  barevná supravodivost existuje při dostatečně nízkých teplotách a vysokých hustotách.
Kvalitativní vykreslení fázového diagramu kvarkové hmoty. Přesné podrobnosti diagramu jsou předmětem probíhajícího výzkumu.

Za dostatečně extrémních podmínek mohou být kvarky „vázány“ mimo vázané stavy a šířit se jako termizované „volné“ buzení ve větším médiu. V průběhu asymptotické svobody se silná interakce s rostoucí teplotou snižuje. Nakonec by se zadržování barev účinně ztratilo v extrémně horké plazmě volně se pohybujících kvarků a gluonů. Tato teoretická fáze hmoty se nazývá kvark-gluonová plazma .

Přesné podmínky potřebné k vzniku tohoto stavu nejsou známy a byly předmětem velké spekulace a experimentování. Odhad stanoví potřebnou teplotu na(1,90 ± 0,02) × 10 12 kelvinů . Zatímco stavu zcela volných kvarků a gluonů nebylo nikdy dosaženo (navzdory četným pokusům CERN v 80. a 90. letech), nedávné experimenty na relativistickém těžkém iontovém urychlovači přinesly důkazy o tekutině podobné kvarkové hmotě vykazující „téměř dokonalý“ pohyb tekutiny .

Plazma kvark – gluon by byla charakterizována velkým nárůstem počtu těžších párů kvarků ve vztahu k počtu párů kvarků nahoru a dolů. Předpokládá se, že v období před 10–6 sekundami po Velkém třesku ( epocha kvarku ) byl vesmír naplněn kvark-gluonovou plazmou, protože teplota byla příliš vysoká na to, aby hadrony byly stabilní.

Vzhledem k dostatečně vysokým hustotám baryonů a relativně nízkým teplotám - pravděpodobně srovnatelným s těmi, které se vyskytují v neutronových hvězdách - se očekává, že kvarková hmota bude degenerovat do Fermiho kapaliny slabě interagujících kvarků. Tato kapalina by byla charakterizována kondenzací barevných párů kvarkových Cooperů , čímž by došlo k porušení místní symetrie SU (3) c . Protože dvojice kvark Cooper obsahuje barevný náboj, byla by taková fáze kvarkové hmoty barevně supravodivá ; to znamená, že by barevný náboj mohl projít bez odporu.

Viz také

Poznámky

  1. ^ Existuje také teoretická možnost exotičtějších fází kvarkové hmoty .
  2. ^ Hlavní důkaz je založen na šířku rezonance z
    Z0
    boson
    , který omezuje neutrino 4. generace na hmotnost větší než ~45 GeV / c 2 . To by velmi kontrastovalo s neutriny ostatních tří generací, jejichž hmotnost nemůže překročit2 MeV / c 2 .
  3. ^ Narušení CP je jev, který způsobuje, že se slabé interakce chovají odlišně, když jsou zaměněny vlevo a vpravo ( P symetrie ) a částice jsou nahrazeny odpovídajícími antičásticemi ( C symetrie ).
  4. ^ „Krása“ a „pravda“ jsou porovnány v posledních řádcích Keatovy básně z roku 1819 „ Óda na řeckém urnu “ a mohou být původem těchto jmen.
  5. ^ Skutečná pravděpodobnost rozpadu jednoho kvarku na jiný je komplikovanou funkcí (kromě jiných proměnných) hmotnosti rozpadajícího se kvarku, hmotností produktů rozpadu a odpovídajícího prvku matice CKM. Tato pravděpodobnost je přímo úměrná (ale nerovná se) velikosti druhé mocniny (| V ij  | 2 ) odpovídajícího záznamu CKM.
  6. ^ Navzdory svému názvu barevný náboj nesouvisí s barevným spektrem viditelného světla.

Reference

Další čtení

externí odkazy