Kvark

Kvarky sú podľa štandardného modelu časticovej fyziky elementárne častice, z ktorých sa skladajú hadróny (teda napríklad protóny a neutróny).

Majú spin ½, sú to teda fermióny. Podľa štandardného modelu časticovej fyziky nemajú vnútornú štruktúru a sú spolu s leptónmi a kalibračnými bozónmi „najmenšie“ známe častice, z ktorých pozostáva hmota. Baryóny (napríklad protón) pozostávajú z troch kvarkov, mezóny (napríklad pión) pozostávajú z jedného kvarku a z jedného antikvarku.

Teoreticky boli predpovedané roku 1964 Murray Gell-Mannom (a nezávisle od neho aj Georgeom Zweigom) v snahe vysvetliť vlastnosti vtedy známych častíc^[1], za čo v roku 1969 dostal Nobelovu cenu za fyziku. Neskoršie objavy ďalších častíc si vyžiadali zavedenie dodatočných troch kvarkov. V súčasnosti teda poznáme šesť kvarkov.

Voľné kvarky neboli dosiaľ objavené, čo je v štandardnom modeli časticovej fyziky vysvetlené pomocou takzvaného uväznenia (angl. confinement). Experimentálne bola ich existencia overená v hlboko neelastických rozptyloch elektrónu na nukleónoch.

Kvarky sú zatiaľ konečným výsledkom v snahe vysvetliť stavbu hmoty. Prvou fyzikálnou teóriou vysvetľujúcou štruktúru hmoty bola atómová teória z 19. storočia. Táto teória predpokladala, že všetka hmota pozostáva z atómov, ktoré považovala za elementárne, teda ďalej nedeliteľné. Pokusy Ernesta Rutherforda z roku 1909 však preukázali, že atóm pozostáva z jadra a elektrónového obalu. V tridsiatych rokoch minulého storočia pozostával fyzikálny obraz sveta z piatich častíc a to z protónu, neutrónu, elektrónu, piónu (ktorý existuje v troch nábojových stavoch) a neutrína.

S rozvojom experimentálnej fyziky častíc po druhej svetovej vojne súviseli objavy dovtedy nepoznaných baryónov a mezónov. Množstvo objavených častíc viedlo k hypotéze, že ide o zložené častice.

V roku 1956 preto navrhol Šóiči Sakata teoretický model, podľa ktorého pozostávali tieto častice z protónov, neutrónov a lambda častíc, ktoré boli v Sakatovom modeli považované za elementárne. O osem rokov neskôr Murray Gell-Mann^[1] a nezávisle od neho George Zweig^[2][3] formulovali teóriu, podľa ktorej hadróny pozostávajú z troch elementárnych častíc neskôr nazývaných kvarky. Spoločným rysom oboch teórii bolo klasifikovanie častíc podľa SU(3) symetrie. Gell-Mann a Zweig na rozdiel od Sakatu predpovedali, že protóny, neutróny a lambda častíce sú zložené. V roku 1964 Sheldon Lee Glashow a James Bjorken^[4] rozšírili pôvodnú kvarkovú teóriu o štvrtý kvark nazývaný podľa kvantového čísla, ktoré nesie pôvabný (angl. charm) kvark (alebo kvark c).

Hlboko neelastické rozptylové experimenty na lineárnom urychľovači v Standforde (SLAC) v roku 1968 preukázali, že protón pozostáva z menších bodových objektov. Tieto objekty sa stali známe ako partóny (pojem zavedený Richardom Feynmanom) a neskôr boli identifikované ako kvark u a kvark d.

V roku 1973 Makoto Kobajaši and Tošihide Maskawa^[5] predpovedali v snahe v vysvetliť pozorované narušenie CP-parity tretí pár kvarkov a to kvark t (angl. top) a kvark b (angl. bottom).

Až experimentálne potvrdenie existencie kvarku c definitívne potvrdilo kvarkový model. K objavu tohto kvarku došlo nezávisle v novembri 1974 na lineárnom urýchľovači v Standforde SLAC a na urýchľovači v Brookhavene, kedy bol pozorovaný J/ψ mezón.

Každý kvark má jemu zodpovedajúcu antičasticu nazývanú antikvark, ktorej všetky kvantové čísla a teda aj náboj majú opačné znamienko. Kvarky sú fermióny a majú spin ½. Poznáme šesť kvarkov, ktoré sa navzájom okrem iných vlastností líšia kvantovým číslom nazývaným vôňa. Kvarky majú rôzne náboje, ktoré sú však menšie ako je takzvaný elementárny náboj. Kvarky nesú aj takzvaný farebný náboj, ktorý môže nadobúdať hodnoty červená, modrá a zelená. Je to kvantové číslo, ktoré nemá žiaden priamy súvis so svetlom.

Kvarky podliehajú všetkým štyrom známym interakciám:

• Silná interakcia
• Slabá interakcia
• Elektromagnetická interakcia
• Gravitácia

Kvarky nesú elektrický náboj, ktorý je zlomkom elementárneho elektrického náboja. Konkrétne kvarky u, kvarky c (pôvabné kvarky) a kvarky t (nazývané aj kvarky typu up) majú všetky náboj +²⁄₃. Naproti tomu kvarky d, kvarky s (podivné kvarky) a kvarky b (kvarky typu down) majú náboj −¹⁄₃. Antikvarky nesú náboj opačného znamienka. To znamená teda, že antikvarky ku kvarkom typu up majú náboj −²⁄₃ a antikvarky ku kvarkom typu down majú náboj +¹⁄₃. Výsledný elektrický náboj častíc zložených z kvarkov je sumou nábojov jednotlivých kvarkov. Preto baryóny pozostávajúce z troch kvarkov alebo troch antikvarkov nesú vždy celočíselný náboj. To isté platí aj pre mezóny. Tie pozostávajú z jedného kvarku a jedného antikvarku, čo v sume dá tiež celočíselný náboj týchto zložených častíc ^[6].

Napríklad neutrón má náboj nula, pretože pozostáva z dvoch kvarkov d a jedného kvarku u. Takisto prirodzene na základe kvarkového modelu môžeme vysvetliť náboj protónu. Pretože ten pozostáva z dvoch kvarkov u a jedného kvarku d musí niesť náboj 1, čo je v súlade so známymi experimentálnymi údajmi^[7].

Kvarky podliehajú silnej interakcii, pričom nesú takzvaný farebný náboj. Ten nadobúda hodnoty červená, zelená alebo modrá. Antikvarky nesú opačný farebný náboj a to antičervená, antizelená alebo antimodrá. Farebný náboj napriek svojmu názvu nemá žiaden priamy súvis so svetlom^[8]. Názov farba bol zvolený v súvislosti s teóriou miešania farieb z optiky. Napríklad častica pozostávajúca z troch kvarkov s farbami červená, zelená a modrá má výslednú farbu bielu a nenesie žiaden farebný náboj. Podobne častica zložená z kvarku s farebným nábojom červená a antikvarku s farebným nábojom antičervená opäť nenesie žiaden farebný náboj.

Podľa teórie silných interakcii (QCD) môžeme pozorovať iba také častice, ktorých farebný náboj je nula. Táto skutočnosť vylučuje pozorovanie voľných kvarkov. Kvarky sú uväznené v zložených časticiach (efekt známy ako Color confinement).

Silná interakcia vysvetľuje priťahovanie sa resp. odpudzovanie sa kvarkov pomocou častíc nazývaných gluóny. Kvark nabitý jednou z farieb môže byť viazaný s antikvarkom nesúcim zodpovedajúcu antifarbu, tri kvarky nesúce rozdielne farby budú viazané tiež podobným spôsobom. V každom inom prípade bude systém nestabilný^[9].

V rámci Termodynamiky silných interakcii je predpovedaný stav nazývaný kvark-gluónová plazma, v ktorom sa nachádzajúce kvarky správajú ako kvázi voľné častice. Tento fázový prechod je očakávaný pri teplote zodpovedajúcej 200 MeV a pri trojnásobnej hustote, ako majú jadrá atómov. Kvark-gluónová plazma ešte pozorovaná nebola, ale experimenty v CERNe a Brookhavene poukázali na jej možnú existenciu.

Poznáme šesť kvarkov: u, d, c (pôvabný), s (podivný), t (horný) a b (spodný). Slabá interakcia dovoľuje však ich premeny z jedného druhu na iný.

Príkladom takejto premeny je beta rozpad neutrónu na protón, pri ktorej sa jeden kvark d neutrónu premení na jeden kvark u, pričom dochádza k emitovaniu virtuálneho bozónu W a jeho následnej premene na elektrón a elektrónové antineutríno^[10].

V roku 1972 Makoto Kobajaši a Tošihide Maskawa formulovali takzvanú Cabibbovu–Kobajašiho–Maskawovu maticu (maticu CKM), ktorá opisuje relatívne pravdepodobnosti rozpadov kvarkov.

V súčasnosti sa jednotlivé údaje matice CKM uvádzajú približne ako^[11]:

${\displaystyle {\begin{bmatrix}|V_{\mathrm {ud} }|&|V_{\mathrm {us} }|&|V_{\mathrm {ub} }|\\|V_{\mathrm {cd} }|&|V_{\mathrm {cs} }|&|V_{\mathrm {cb} }|\\|V_{\mathrm {td} }|&|V_{\mathrm {ts} }|&|V_{\mathrm {tb} }|\end{bmatrix}}\approx {\begin{bmatrix}0.974&0.226&0.004\\0.226&0.973&0.041\\0.009&0.041&0.999\end{bmatrix}}}$

Kde ${\displaystyle V_{ij}\,\!}$ reprezentuje pravdepodobnosť, že kvark označený symbolom i sa rozpadne na kvark označený symbolom j.

1. ^  vo fyzike častíc sa často ráta v tzv. prirodzených jednotkách a napríklad hmotnosť sa udáva v násobkoch elektrónvoltov (eV). Pričom 1 MeV/c² zodpovedá približne hmotnosti 1,8 · 10⁻³⁰ kg.