Kvark
A Wikipédiából, a szabad lexikonból.
A kvarkok azok az elemi részecskék, amelyekből a mezonok és a barionok (például a proton és a neutron) felépülnek. A spinjük 1/2
, 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 definiálja az erős kölcsönhatás mértékelméletét, a kvantumszíndinamikát.
Tartalomjegyzék |
[szerkesztés] 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 |
| Ritka | Strange | s | 0,06-0,17 | -1/3 |
| Felső / Tető* | Top / True | t | 165-180 | 2/3 |
| Alsó / Szépség* | Bottom / Beauty | b | 4,1-4,4 | -1/3 |
* A csillaggal jelölt kvarkok magyar neveit a szakma nem igazán használja, helyette inkább az u-kvark, d-kvark stb. elnevezés szokásos.
Minden kvarkhoz tartozik egy antirészecske amelynek a jele az "eredeti" részecske jele felülvonással: anti-u =
.
[szerkesztés] A kvarkok színe
A kvarkok nem létezhetnek szabadon. Az erős kölcsönhatás az úgynevezett szín-töltésre hat. Ne gondoljuk, hogy a kvarkoknak tényleges színük van, az elnevezés egy hasonlóságon alapul. Mindegyik kvark előfordulhat háromféle színben. Ezeket a három alapszínről vörösnek, zöldnek és kéknek nevezték el, amelyeket az angol rövidítésük után r g és b betűvel rövidítenek. A kvarkok kis energián csak olyan kötött állapotban létezhetnek, amelyek színsemlegesek. Ilyenek például a három szín mindegyikét tartalmazó barionok, egy színt és egy antiszínt tartalmazó mezonok és a három antiszínt tartalmazó antibarionok.
Az erős kölcsönhatás, szemben az elektromágnesessel, annál erősebb, minél távolabb van egymástól két kvark. Ezért ha két kvark nagy sebességgel távolodik egymástól, akkor energia szempontjából kedvezőbb, ha két újabb kvark (egy kvark és egy, anti-kvark) keletkezik. Ezt nevezzük hadronizációnak. A gyorsítókban szétrepülő kvarkok úgynevezett jeteket (ejtsd: dzset, angolból) hoznak létre: több tíz nagyjából egyirányba mozgó hadront.
[szerkesztés] A kvarkok kötött állapotai
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.
[szerkesztés] 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.
[szerkesztés] 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.
[szerkesztés] Szabad kvarkok
Szabad kvarkokat nem sikerült kísérletileg megfigyelni. Ezt a jelenséget kvarkbezárásnak, - vagy inkább színbezárásnak, mert a gluonokra is vonatkozik - nevezzük, és 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.
Az erős csatolási állandó energiafüggő, a növekvő energiával 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 állapotöt 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 ütközáésekben, és az időben visszamenve az ősrobbanás felé pedigh 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.
[szerkesztés] 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.
[szerkesztés] 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:
A tény, miszerint mu ≠ 0 nagyon fontos, mivel nem lenne erős CP-probléma eltűnő mu esetén. Az abszolut tömegeket jelenleg QCD összegszabályokkal (másképpen spektrálfüggvény összegszabályokkal) és rács QCD számításokkal lehet meghatározni. Az így meghatározott kvarktömegeket áramkvark-tömegeknek hívjuk. A különböző áramakvark-tömeg definíciók közötti kapcsolat megértéséhez szükség van a renormálás teljes eszközrendszerére.
[szerkesztés] Összetevőkvark-tömegek
Egy másik, régebbi módszer a kvarktömegek definiálására a kvarkmodell Gell-Mann-Nishijima tömegképletének a használata, ami a hadrontömegeket a kvarktömegek segítségével adja meg. Az így meghatározott tömegeket összetevőkvark-tömegeknek nevezzük, amik jelentősen különböznek a fent definiált áramkvark-tömegektől. Az összetevőtömegeknek nincs semmilyen további dinamikai jelentése.
[szerkesztés] 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.
[szerkesztés] Története
Az 1950-es években egymástól függetlenül Gell-Mann és Nishijima osztályozták a hadronokat elektromos töltésük, barionszámuk, izospinjük és ritkaságuk alapján, felismerve a [[Gell-Mann-Nishijima-összefüggést az említett kvantumszámok között. 1961-ben Gell-Mann és Ne'eman SU(3)-multiplettekbe (oktettekbe és dekuplettekbe) sorolta a hadronokat. 1964-ben azután Gell-Mann és Zweig bevezették a kvarkokat, mint elemi építőköveket, amikkel (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 áramalgenrából 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) kvarkor 1996-ban fedezték fel a Fermilabban, az utóbbit a Tevatronnal.
[szerkesztés] Külső hivatkozások
| Szerkeszt | |
| Fermionok: Kvarkok: (Up · Down · Strange · Charm · Bottom · Top) | Leptonok: (Elektron · Müon · Tau · Neutrínók) | |
| Bozonok : Foton | W+, W-- és Z0-bozonok | Gluonok | Higgs-bozon | Graviton |



Based on work by