Кварк

Кваркови (енг. , назив који је увео амерички физичар Мари Гел-Ман по речи из Џојсовог романа Бдење над Финеганом) су елементарне честице које сачињавају протоне, неутроне,^[2] и све остале сложене честице тј. хадроне, нуклеоне, мезоне...^[3][4] Кваркови су честице које имају спин 1/2 као и све остале честице материје али имају електрични набој од 1/3 е или 2/3 е. Поред спина и наелектрисања имају и особину која се зове боја и она може имати 3 основне вредности. Граде теже честице тако што се повежу 3 кварка - хадрони, нуклеони - у безбојну комбинацију или тако да се повежу 1 кварк и 1 антикварк исте боје чинећи при томе безбојну честицу. Кваркови су по физичким мерилима изузетно масивне честице. Кваркова има 6 врста:^[5] и кварк чине цео космос јер су они облик кваркова са најмањом масом и према томе најмањом енергијом тј. најстабилнији су. Сви остали кваркови су добијени у акцелераторима честица при врло великим енергијама на врло мале делове времена. Сви остали кваркови су много масивнији од up и down и они граде егзотичне врсте тешких честица, које се распадају на мање масивне после пар милисекунди. Колико се сада зна кваркови су честице које можда уопште немају димензије, али се као горња граница за њихов пречних узима граница од 10^-17 m. Кваркови се никад не могу наћи изоловани већ само повезани у честице које су безбојне, јер што су даље кваркови један од другог, то је сила између њих јача, али и ако се честици сачињеној од кваркова преда довољно енергије за раскидање везе између кваркова, та енергија ће се претворити у још једну безбојну честицу сачињену од кваркова.

Стандардни модел елементарних честица, с баждарним и Хигсовим бозоном.

Преглед међуделовање између субатомских честица описаних стандардним моделом.

Неутрон је грађен од једног горњег () кварка и два доња () кварка. Јаку нуклеарну силу посредују глуони (таласи). Јака нуклеарна сила има три врсте набоја, црвено, зелено и плаво. Треба имати на уму да је избор плаве боје за горњи кварк произвољан; претпоставља се да „набој у боји” кружи између 3 кварка.

Електрична струја је усмерено кретање слободних електрона.

Употребом коморе на мехуриће први пут је откривен неутрино 13. децембра 1970. Неутрино је ударио протон у водониковом атому. Судар се види на десној страни, где се секу 3 линије.

Кварк

Протон се састоји од два горња кварка, једног доњег кварка и глуона који посредују силе које их „везују”. Додела боја појединих кваркова је произвољна, али све три боје морају бити присутне; црвена, плава и зелена се користе као аналогија примарним бојама које заједно производе белу боју.
Композиција	Елементарна честица
Статистике	Фермионска
Генерација	Прва, друга, треча
Интеракције	Електромагнетизам, гравитација, јака, слаба
Симбол	q
Античестица	Антикварк (q)
Теорије	Мари Гел-Ман (1964)[1] Џорџ Цвејг (1964)
Откривен	(c. 1968)
Типови	6 (горњи, доњи, страни, чаробни, дубински, и вршни)
Наелектрисање	+2/3 , −1/3
Боја набоја	Да
Спин	1/2
Барионски број	1/3

Кварк је елементарна честица саставница хадрона, електричног набоја или , подложна јаком међуделовању. Све до открића Ω^– честице кварковима се придељивало чисто математичко значење. Прве назнаке њихове физичке стварности (реалности) појавиле су се у експериментима дубоко нееластичног распршења електрона на протонима, на Станфордском линеарном убрзивачу честица 1962.^[6][7] Опажање распршења под великим угловима (каква су пре опажена у Рудерфордовим експериментима распршења алфа-честица на листићима злата) упућивало је на постојање тврдих тачкастих „језгара” унутар протона. Слични експерименти спроведени потом неутринским сноповима на CERN-у несумњиво су потврдили да је реч о честицама трећинског електричног набоја и полуцелоа спина.^[8] За истраживања путем дубоко нееластичних распршења којима су установљени кваркови додељена је Нобелова награда за физику 1990. године X. A. Фридманu, Х. В. Кендалу i Р. Е. Тејлору.

Године 1974. откривен је ц-кварк (Нобелова награда 1976. Б. Рихтеру и Семјуел Ч. Ч. Тингу за откриће J/ψ мезона). Следило је и откриће -кварка (1977) и -кварка (1994). Тиме је био заокружен скуп кваркова који с лептонима чине темељне градивне блокове опажене материје (физика елементарних честица). Реч је о честицама спина 1/2, које се појављују у различитим врстама, укусима, сврстаним у породице или нараштаје. Материје које нас окружују изграђене су од горњега и доњега кварка ( и , од енгл. и ) првог нараштаја. Такав узорак с доњим кварком електричнога набоја (–1/3) и горњим кварком набоја (+2/3) понавља се у другом нараштају с кварковима страног и чаробног укуса ( и , од енгл. и ) те кварком лепоте и истине ( и , од енгл. и ) трећега нараштаја. Сваки се од наведених кваркова појављује у три боје. Те се боје шватају као набоји на које се вежу глуони, преносници јакога међуделовања описаног квантном хромодинамиком.^{[9][10][11][12][13]}

На малој међусобној удаљености (мањој од 10^–15 метара) кваркови се крећу као слободне честице, а на већим удаљеностима делују изузетно великим привлачним силама те се због тога не могу издвојити из хадрона као засебне честице (асимптотска слобода).^[14]

Кваркови и лептони

Главни чланак: Фермион

Занимљива је чињеница да попис свих елементарних честица које изграђују сву материју у свемиру једноставно стане на један лист папира. Према стандардном моделу тих елементарних честица има укупно 12. Оне су подељене у две групе честица које се називају кваркови и лептони. Постоји 6 кваркова и 6 лептона (једним именом се називају фермиони).

Попис кваркова и лептона

Кваркови	Лептони
Горњи ( – енг. )	Електрон (-)
Доњи ( – енг. )	Електронски неутрино (𝜈𝑒)
Чаробни ( – енг. )	Мион (𝜇−)
Страни ( – енг. )	Мионски неутрино (𝜈𝜇)
Вршни ( – енг. )	Тау лептон (𝜏)
Дубински ( – енг. )	Тау неутрино (𝜈𝜏)

Електрон је један од градивних блокова атома и честица која је одговорна за електричну струју у електричном проводинику. Електрон је елементарна честица, што значи да нема унутрашњу подструктуру. Свих 12 честица у табели горе сматрају се елементарним честицама. Изненађујуће је то да се протон и неутрон не спомињу у тој табели.

Сва материја сачињена је од атома, сваки атом је сачињен од негативно набијених електрона који круже око мало, тешког, позитивно наелектрисаног атомског језгра. С друге стране, језгро атома се састоји од протона, који имају позитиван електрични набој, и неутрона, који су без набоја. Ако је износ набоја протона исти као и код електрона (али супротног предзнака), неутрални атом ће садржавати једнак број протона у језгру и електрона у орбити. Број неутрона је обично исти као и број протона, али може бити мало другачији дајући тако различите изотопе атома.^[15]

Као што се пре веровало да је атом основна градивна јединица материје, а затим је откривено да се састоји од још елементарнијих честица: електрона, протона и неутрона, исто тако сада зна да протони и неутрони нису елементарне честице, али електрон је био и остао елементаран. Протони и неутрони су сачињени од комбинације горњих и доњих кваркова. Будући да имају унутрашњу подструктуру, не могу се сматрати елементарним честицама. Протон се састоји од два горња и једног доњег кварка, а неутрон од два доња и једног горњег кварка. То се може приказати на следећи начин:

${\displaystyle {\mbox{p}}={\mbox{u}}{\mbox{u}}{\mbox{d}}}$

${\displaystyle {\mbox{n}}={\mbox{d}}{\mbox{d}}{\mbox{u}}}$

Будући да протон носи електрични набој, неки од кваркова такође морају бити наелектрисани. Међутим, исти кваркови, само у другој комбинацији, постоје и унутар неутрона који је без набоја. Због тога се набоји кваркова морају сабирати у комбинацији која чини протон, а поништити у комбинацији која чини неутрон. Означи ли се набој горњег кварка са 𝑄_𝑢 и набој доњег кварка са 𝑄_𝑑, добија се следеће:

${\displaystyle {\mbox{p}}({\mbox{u}}{\mbox{u}}{\mbox{d}})_{naboj}=Q_{u}+Q_{u}+Q_{d}=1}$

${\displaystyle {\mbox{n}}({\mbox{d}}{\mbox{d}}{\mbox{u}})_{naboj}=Q_{d}+Q_{d}+Q_{u}=0}$

Ове две једначине су једноставне за решавање, узимајући у обзир да су набоји горњег и доњег кварка редом:

${\displaystyle Q_{u}=+{\frac {2}{3}}}$

${\displaystyle Q_{d}=-{\frac {1}{3}}}$

Треба само напоменути да је у горњим једначинама кориштен договор који поставља да набој протона износи +1, док у стандардним јединицама приближно износи 1,6∙10⁻¹⁹ (кулон). Овај набој протона назива се још и елементарним набојем и означава се словом .

До открића кваркова, физичари су сматрали да електрични набој може бити само целобројни умножак елементарног набоја. Тако електрон има електрични набој , протон , језгро хелијума и тако даље. Кваркови, зависно од врсте, имају само део елементарног набоја: или . Будући да кваркови не постоје самостално, већ долазе увек у комбинацији два или три кварка, у природи никад није запажено постојање честице с набојем мањим од једног елементарног набоја. Честице састављене од 3 кварка називају се барионима,^[16][17] док се мезонима називају честице које се састоје од парног броја кваркова и антикваркова.^[18] У доњој табели, која показује начин на који су кваркови груписани у генерације, сви кваркови у првом реду имају набој +2/3, а у другом реду −1/3. Ово груписање кваркова у генерације строго прати поредак којим су кваркови откривени.

Kvarkovska generacija

	Прва генерација	Друга генерација	Трећа генерација
+𝟐/𝟑	Горњи ()	Чаровни ()	Вршни ()
-1/𝟑	Доњи ()	Страни ()	Дубински ()

Сва материја у свемиру састоји се од атома, дакле од протона и неутрона, стога су горњи и доњи кваркови највише заступљени кваркови у свемиру. Остали кваркови су пуно масивнији (маса кваркова расте како се иде од прве према другој и трећој генерацији) и пуно ређи. Међутим, раније у еволуцији свемира материја је била далеко енергичнија, стога су масивнији кваркови били много чешћи и имали су значајну улогу у реакцијама које су се догодиле.

Од лептона најпознатији је електрон, стога су лептони највише и проучавани будући да се својства електрона огледају у миону и тауону. Ова три лептона имају исти електрични набој и мало тога, осим масе, разликује електрон од миона и тауона. Једина очита разлика је у томе што се мион и тауон могу распадати на друге честице (из прве и друге генерације лептона и њихове античестице), док је електрон стабилна честица.

Референце

1. B. Carithers; P. Grannis (1995). „Discovery of the Top Quark” (PDF). Beam Line. 25 (3): 4—16. Приступљено 2008-09-23.
2. „Quark (subatomic particle)”. Encyclopædia Britannica. Приступљено 2008-06-29.
3. R. Nave. „Confinement of Quarks”. HyperPhysics. Georgia State University, Department of Physics and Astronomy. Приступљено 2008-06-29.
4. R. Nave. „Bag Model of Quark Confinement”. HyperPhysics. Georgia State University, Department of Physics and Astronomy. Приступљено 2008-06-29.
5. R. Nave. „Quarks”. HyperPhysics. Georgia State University, Department of Physics and Astronomy. Приступљено 2008-06-29.
6. E. D. Bloom; . (1969). „High-Energy Inelastic e–p Scattering at 6° and 10°”. Physical Review Letters. 23 (16): 930—934. Bibcode:1969PhRvL..23..930B. doi:10.1103/PhysRevLett.23.930 .
7. M. Breidenbach; . (1969). „Observed Behavior of Highly Inelastic Electron–Proton Scattering”. Physical Review Letters. 23 (16): 935—939. Bibcode:1969PhRvL..23..935B. OSTI 1444731. S2CID 2575595. doi:10.1103/PhysRevLett.23.935.
8. Peacock, K. A. (2008). The Quantum Revolution. Greenwood Publishing Group. стр. 125. ISBN 978-0-313-33448-1.
9. Yao, W.-M.; . (Particle Data Group) (2006). „Review of Particle Physics: Pentaquark Update” (PDF). Journal of Physics G. 33 (1): 1—1232. Bibcode:2006JPhG...33....1Y. arXiv:astro-ph/0601168 . doi:10.1088/0954-3899/33/1/001 .
10. S.-K. Choi; . (Belle Collaboration) (2008). „Observation of a Resonance-like Structure in the π±Ψ′ Mass Distribution in Exclusive B→Kπ±Ψ′ decays”. Physical Review Letters. 100 (14): 142001. Bibcode:2008PhRvL.100n2001C. PMID 18518023. S2CID 119138620. arXiv:0708.1790 . doi:10.1103/PhysRevLett.100.142001.
11. „Belle Discovers a New Type of Meson” (Саопштење). KEK. 2007. Архивирано из оригинала 2009-01-22. г. Приступљено 2009-06-20.
12. Aaij, R.; . (LHCb collaboration) (2014). „Observation of the Resonant Character of the Z(4430)⁻ State”. Physical Review Letters. 112 (22): 222002. Bibcode:2014PhRvL.112v2002A. PMID 24949760. S2CID 904429. arXiv:1404.1903 . doi:10.1103/PhysRevLett.112.222002.
13. Aaij, R.; . (LHCb collaboration) (2015). „Observation of J/ψp Resonances Consistent with Pentaquark States in Λ0
    b→J/ψK⁻p Decays”. Physical Review Letters. 115 (7): 072001. Bibcode:2015PhRvL.115g2001A. PMID 26317714. arXiv:1507.03414 . doi:10.1103/PhysRevLett.115.072001 .
14. Kvark, "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2019.
15. Povh, B.; Scholz, C.; Rith, K.; Zetsche, F. (2008). Particles and Nuclei. Springer. стр. 98. ISBN 978-3-540-79367-0.
16. Section 6.1. in Davies, P. C. W. (1979). The Forces of Nature. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-22523-6.
17. M. Munowitz (2005). Knowing. Oxford University Press. стр. 35. ISBN 978-0-19-516737-5.
18. Wong, S. S. M. (1998). Introductory Nuclear Physics (2nd изд.). Wiley Interscience. стр. 30. ISBN 978-0-471-23973-4.

Литература

• A. Ali; G. Kramer (2011). „JETS and QCD: A Historical Review of the Discovery of the Quark and Gluon Jets and Its Impact on QCD”. European Physical Journal H. 36 (2): 245. Bibcode:2011EPJH...36..245A. S2CID 54062126. arXiv:1012.2288 . doi:10.1140/epjh/e2011-10047-1.
• R. Bowley; E. Copeland. „Quarks”. Sixty Symbols. Brady Haran for the University of Nottingham.
• D. J. Griffiths (2008). Introduction to Elementary Particles (2nd изд.). Wiley–VCH. ISBN 978-3-527-40601-2.
• I. S. Hughes (1985). Elementary Particles (2nd изд.). Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-26092-3.
• R. Oerter (2005). The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics. Pi Press. ISBN 978-0-13-236678-6.
• A. Pickering (1984). Constructing Quarks: A Sociological History of Particle Physics. The University of Chicago Press. ISBN 978-0-226-66799-7.
• B. Povh (1995). Particles and Nuclei: An Introduction to the Physical Concepts. Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-59439-2.
• M. Riordan (1987). The Hunting of the Quark: A True Story of Modern Physics. Simon & Schuster. ISBN 978-0-671-64884-8.
• B. A. Schumm (2004). Deep Down Things: The Breathtaking Beauty of Particle Physics. Johns Hopkins University Press. ISBN 978-0-8018-7971-5.

Спољашње везе

• 1969 Physics Nobel Prize lecture by Murray Gell-Mann
• 1976 Physics Nobel Prize lecture by Burton Richter
• 1976 Physics Nobel Prize lecture by Samuel C.C. Ting
• 2008 Physics Nobel Prize lecture by Makoto Kobayashi
• 2008 Physics Nobel Prize lecture by Toshihide Maskawa
• The Top Quark And The Higgs Particle by T.A. Heppenheimer – A description of CERN's experiment to count the families of quarks.
• Наука 50: Кварк (РТС Образовно-научни програм - Званични канал)