Кварк – материяның негізгі құрамы. Протон, нейтрон және атом ядросы құрамында болады. Кварктарды оқшау табу мүмкін емес, олар гадрон ішінде ғана кездеседі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Элементар бөлшек, материяның негізгі құрамдас бөлігі
Элементар бөлшек және оның антибөлшегі
Elementary particle, main constituent of matter
the elementary particle and its antiparticle
Кварк (/k//w//ɔːr//k//, //k//w//ɑːr//k/) — элементар бөлшектердің бір түрі және материяның негізгі құрамдас бөлігі. Кварктар бірігіп, адрон деп аталатын құрамдас бөлшектерді құрайды, олардың ең тұрақтысы — атом ядросының құрамдас бөліктері — протон мен нейтрон. Барлық қалыпты байқалатын материяның құрамы жоғары кварктардан, төмен кварктардан және электрондардан тұрады. Түспен шектелу деп аталатын құбылыстың арқасында кварктар ешқашан оқшауланған күйде табылмайды; оларды бариондар (протон мен нейтрон сияқты) және мезондар немесе кварк-глюон плазмаларында бар адрондарда ғана табуға болады. Осы себепті кварктар туралы білгендердің көп бөлігі адрондарды бақылаудан алынған. Кварктарда әртүрлі ішкі қасиеттер бар, соның ішінде электр заряды, масса, түс заряды және спин. Олар — бөлшектер физикасының Стандартты моделіндегі төрт негізгі өзара әрекеттесудің (электромагнетизм, гравитация, күшті өзара әрекеттесу және әлсіз өзара әрекеттесу) барлығын бастан кешіретін жалғыз элементар бөлшектер, сондай-ақ электр зарядтары элементар зарядтың бүтін еселі емес жалғыз белгілі бөлшектер. Кварктардың алты түрі бар: жоғары, төмен, шарм, таңғажайып, жоғарғы және төменгі. Жоғары және төмен кварктардың барлық кварктардан ең төмен массасы бар. Ауыр кварктар бөлшектердің ыдырау процесінде жоғары және төмен кварктарға тез өзгереді: жоғары массалық күйден төмен массалық күйге көшу. Осы себепті жоғары және төмен кварктар жалпы алғанда тұрақты және ғаламда ең көп таралған, ал ерекше, шарм, төменгі және жоғарғы кварктар тек жоғары энергиялы соқтығысуларда (мысалы, ғарыштық сәулелер мен бөлшектер үдеткіштерінде) пайда болуы мүмкін. Әрбір кварк дәміне сәйкес антикварк түрі бар, ол кварктан тек кейбір қасиеттерінің (мысалы, электр заряды) тең шамаға ие болғанымен, қарсы белгіге ие болғанымен ғана ерекшеленеді. Кварк моделін 1964 жылы Мюррей Гелл-Манн және Джордж Цвайг физиктері тәуелсіз түрде ұсынды. Кварктар адрондарды реттеу схемасының бөлігі ретінде енгізілді және 1968 жылы Стэнфордтың сызықтық үдеткіш орталығында жүргізілген терең серпімді шашырату эксперименттеріне дейін олардың физикалық бар екендігіне айғақтар аз болды. Үдеткіш бағдарламасының эксперименттері алты дәмінің барлығына дәлел келтірді. 1995 жылы Фермилабта алғаш рет байқалған жоғарғы кварк соңғысы болды. Кварктар спиндік бөлшектер болып табылады, яғни олар спин-статистика теоремасы бойынша фермиондар болып табылады. Олар Паулидің тыйым салу принципіне бағынады, онда екі бірдей фермион бір мезгілде бірдей кванттық күйде бола алмайды. Бұл бозондардан (спині бүтін санға тең бөлшектерден) өзгеше, олардың кез келген саны бірдей күйде болуы мүмкін. Лептондардан айырмашылығы, кварктарда түсті заряд бар, бұл оларды күшті өзара әрекеттесуге мәжбүр етеді. Әр түрлі кварктар арасындағы тартылыс адрон деп аталатын композиттік бөлшектердің пайда болуына себеп болады (төмендегі "Күшті өзара әрекеттесу және түс заряды" дегенді қараңыз). Адрондардың кванттық санын анықтайтын кварктар валенттік кварктар деп аталады; бұлардан басқа, кез келген адронның кванттық сандарына әсер етпейтін, нақты "теңіз" кварктары, антикварктары және глюондары болуы мүмкін. Адронның екі отбасы бар: барион, үш валентті кваркі бар, және мезон, валентті кваркі және антикваркі бар. Ең көп таралған бариондар — протон мен нейтрон, атом ядросының құрылыс блоктары. Көптеген адрондар белгілі (бариондар тізімі мен мезондар тізімі), олардың көпшілігі кварк құрамы мен осы құрамдас кварктар беретін қасиеттері бойынша ерекшеленеді. Тетракварктар мен пентакварктар сияқты валентті кварктар көп "экзотикалық" адрондардың болуы кварк моделінің басынан бастап болжанған, бірақ XXI ғасырдың басына дейін табылмаған. Элементарлық фермиондар үш буынға бөлінеді, олардың әрқайсысы екі лептоннан және екі кварктан тұрады. Бірінші буында жоғары және төмен кварктар, екіншісі — таңғажайып және сирек кварктар, ал үшіншісі — төменгі және жоғарғы кварктар бар. Төртінші буын кварктар мен басқа да элементарлық фермиондар үшін барлық іздеулер сәтсіз аяқталды, ал үш буыннан артық емес екендігіне жанама дәлелдер бар. Жоғары буын бөлшектерінің жалпы массасы мен тұрақтылығы төмен, сондықтан олар әлсіз өзара әрекеттесу арқылы төмен буын бөлшектеріне ыдырайды. Табиғатта тек бірінші буын (жоғары және төмен) кварктары ғана кездеседі. Ауыр кварктар тек жоғары энергиялы соқтығысуларда (мысалы, ғарыштық сәулелерде) пайда болуы мүмкін және тез ыдырайды; алайда, олар ғаламның алғашқы секундтарында, ғалам өте ыстық және тығыз болған кезде (кварк дәуірі) болған деп есептеледі. Ауыр кварктарды зерттеулер жасанды жағдайларда, мысалы бөлшектер үдеткіштерінде жүргізіледі. Электр заряды, масса, түс заряды және дәмі бар кварктар — қазіргі физиканың төрт негізгі өзара әрекеттесуіне (электромагнетизм, гравитация, күшті өзара әрекеттесу және әлсіз өзара әрекеттесу) қатысатын жалғыз белгілі элементар бөлшектер. Физик Ювал Неэман да сол жылы Eightfold Way сияқты схеманы тәуелсіз түрде жасады. Құрамдас ұйымдастырудың алғашқы әрекеті Саката моделінде қол жеткізілді. Кварк теориясының пайда болу кезінде "бөлшектер бағы" адронның көптеген түрлерін, басқа бөлшектермен қатар қамтыды. Гелл-Манн мен Цвайг олардың элементар бөлшектер емес, кварктар мен антикварктардың комбинацияларынан тұратынын болжады. Олардың моделі кварктардың үш дәмін, жоғары, төмен және ерекше кварктарды қамтыды, оларға спин және электр заряды сияқты қасиеттерді тағайындады. Бір жыл ішінде Гелл-Манн-Цвайг моделіне кеңейтімдер ұсынылды. Шелдон Глашоу және Джеймс Бьоркен төртінші кварк дәмінің бар екенін болжады, оны олар шарм деп атады. Қосымша әлсіз өзара әрекеттесуді (кварктардың ыдырауына мүмкіндік беретін механизм) жақсы сипаттауға мүмкіндік бергендіктен, белгілі кварктар саны белгілі лептон санымен тең болғандықтан және белгілі мезондардың массасын дұрыс қайта өндірген масса формуласын білдіргендіктен бұл ұсынылды. 1968 жылы Стэнфордтың сызықтық үдеткіш орталығында (SLAC) жүргізілген терең серпімді шашырату эксперименттері және 1969 жылдың 20 қазанында жарияланған нәтижелер протондан әлдеқайда кішкентай, нүктелік нысандар бар екенін көрсетті және осылайша бұл элементар бөлшек емес екенін көрсетті. Физиктер бұл нысандарды сол кезде кварктер деп нақты анықтауға асықпады, олар Ричард Фейнманның ойлап тапқан "партон" терминін қолданды. SLAC-та байқалған нысандар кейін басқа дәмі ашылғанда жоғары және төмен кварктар болып танылды. Дегенмен, "партон" әлі де адронның құрамдас бөліктері үшін (кварктар, антикварктар және глюондар) жиынды термині ретінде қолданылады. Ричард Тейлор, Генри Кендалл және Джером Фридман 1990 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығын SLAC-тағы жұмыстары үшін алды. Ерекше кварктардың бар екендігі SLAC-тың шашырату эксперименттерімен тікелей расталмады: бұл Гелл-Манн мен Цвайгтың үш кварк моделінің қажетті құрамдас бөлігі болды және 1947 жылы ғарыштық сәулелерде ашылған каон және пион адрондарына түсінік берді. 1970 жылғы мақалада Глашоу, Джон Илиопулос және Лучано Майани тәжірибелік түрде байқалмаған дәмді өзгертетін бейтарап токтарды түсіндіру үшін GIM механизмін (олардың әріптерімен аталған) ұсынды. Бұл теориялық модель әлі ашылмаған шарм кваркінің бар екенін талап етті. Кварктардың болжамды дәмі саны 1973 жылы Макото Кобаяси және Тошихиде Маскава CP бұзушылығының байлануын түсіндіруге болатынын атап көрсеткенде алтыға дейін өсті. Шарм кварктары 1974 жылдың қараша айында екі командамен бірдей жасалды (қараңыз "Қараша революциясы") — біреуі SLAC-та...
A quark (/k//w//ɔːr//k//, //k//w//ɑːr//k/) is a type of elementary particle and a fundamental constituent of matter. Quarks combine to form composite particles called hadrons, the most stable of which are protons and neutrons, the components of atomic nuclei. All commonly observable matter is composed of up quarks, down quarks and electrons. Owing to a phenomenon known as color confinement, quarks are never found in isolation; they can be found only within hadrons, which include baryons (such as protons and neutrons) and mesons, or in quark–gluon plasmas. For this reason, much of what is known about quarks has been drawn from observations of hadrons. Quarks have various intrinsic properties, including electric charge, mass, color charge, and spin. They are the only elementary particles in the Standard Model of particle physics to experience all four fundamental interactions, also known as fundamental forces (electromagnetism, gravitation, strong interaction, and weak interaction), as well as the only known particles whose electric charges are not integer multiples of the elementary charge. There are six types, known as flavors, of quarks: up, down, charm, strange, top, and bottom. Up and down quarks have the lowest masses of all quarks. The heavier quarks rapidly change into up and down quarks through a process of particle decay: the transformation from a higher mass state to a lower mass state. Because of this, up and down quarks are generally stable and the most common in the universe, whereas strange, charm, bottom, and top quarks can only be produced in high energy collisions (such as those involving cosmic rays and in particle accelerators). For every quark flavor there is a corresponding type of antiparticle, known as an antiquark, that differs from the quark only in that some of its properties (such as the electric charge) have equal magnitude but opposite sign. The quark model was independently proposed by physicists Murray Gell Mann and George Zweig in 1964. Quarks were introduced as parts of an ordering scheme for hadrons, and there was little evidence for their physical existence until deep inelastic scattering experiments at the Stanford Linear Accelerator Center in 1968. Accelerator program experiments have provided evidence for all six flavors. The top quark, first observed at Fermilab in 1995, was the last to be discovered. Quarks are spin particles, which means they are fermions according to the spin–statistics theorem. They are subject to the Pauli exclusion principle, which states that no two identical fermions can simultaneously occupy the same quantum state. This is in contrast to bosons (particles with integer spin), of which any number can be in the same state. Unlike leptons, quarks possess color charge, which causes them to engage in the strong interaction. The resulting attraction between different quarks causes the formation of composite particles known as hadrons (see "Strong interaction and color charge" below). The quarks that determine the quantum numbers of hadrons are called valence quarks; apart from these, any hadron may contain an indefinite number of virtual "sea" quarks, antiquarks, and gluons, which do not influence its quantum numbers. There are two families of hadrons: baryons, with three valence quarks, and mesons, with a valence quark and an antiquark. The most common baryons are the proton and the neutron, the building blocks of the atomic nucleus. A great number of hadrons are known (see list of baryons and list of mesons), most of them differentiated by their quark content and the properties these constituent quarks confer. The existence of "exotic" hadrons with more valence quarks, such as tetraquarks and pentaquarks , was conjectured from the beginnings of the quark model but not discovered until the early 21st century. Elementary fermions are grouped into three generations, each comprising two leptons and two quarks. The first generation includes up and down quarks, the second strange and charm quarks, and the third bottom and top quarks. All searches for a fourth generation of quarks and other elementary fermions have failed, and there is strong indirect evidence that no more than three generations exist. Particles in higher generations generally have greater mass and less stability, causing them to decay into lower generation particles by means of weak interactions. Only first generation (up and down) quarks occur commonly in nature. Heavier quarks can only be created in high energy collisions (such as in those involving cosmic rays), and decay quickly; however, they are thought to have been present during the first fractions of a second after the Big Bang, when the universe was in an extremely hot and dense phase (the quark epoch). Studies of heavier quarks are conducted in artificially created conditions, such as in particle accelerators. Having electric charge, mass, color charge, and flavor, quarks are the only known elementary particles that engage in all four fundamental interactions of contemporary physics: electromagnetism, gravitation, strong interaction, and weak interaction. and George Zweig in 1964. Physicist Yuval Ne'eman had independently developed a scheme similar to the Eightfold Way in the same year. An early attempt at constituent organization was available in the Sakata model. At the time of the quark theory's inception, the "particle zoo" included a multitude of hadrons, among other particles. Gell Mann and Zweig posited that they were not elementary particles, but were instead composed of combinations of quarks and antiquarks. Their model involved three flavors of quarks, up, down, and strange, to which they ascribed properties such as spin and electric charge. In less than a year, extensions to the Gell Mann–Zweig model were proposed. Sheldon Glashow and James Bjorken predicted the existence of a fourth flavor of quark, which they called charm. The addition was proposed because it allowed for a better description of the weak interaction (the mechanism that allows quarks to decay), equalized the number of known quarks with the number of known leptons, and implied a mass formula that correctly reproduced the masses of the known mesons. Deep inelastic scattering experiments conducted in 1968 at the Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) and published on October 20, 1969, showed that the proton contained much smaller, point like objects and was therefore not an elementary particle. Physicists were reluctant to firmly identify these objects with quarks at the time, instead calling them "partons" – a term coined by Richard Feynman. The objects that were observed at SLAC would later be identified as up and down quarks as the other flavors were discovered. Nevertheless, "parton" remains in use as a collective term for the constituents of hadrons (quarks, antiquarks, and gluons). Richard Taylor, Henry Kendall and Jerome Friedman received the 1990 Nobel Prize in physics for their work at SLAC. The strange quark's existence was indirectly validated by SLAC's scattering experiments: not only was it a necessary component of Gell Mann and Zweig's three quark model, but it provided an explanation for the kaon and pion hadrons discovered in cosmic rays in 1947. In a 1970 paper, Glashow, John Iliopoulos and Luciano Maiani presented the GIM mechanism (named from their initials) to explain the experimental non observation of flavor changing neutral currents. This theoretical model required the existence of the as yet undiscovered charm quark. The number of supposed quark flavors grew to the current six in 1973, when Makoto Kobayashi and Toshihide Maskawa noted that the experimental observation of CP violation could be explained if there were another pair of quarks. Charm quarks were produced almost simultaneously by two teams in November 1974 (see November Revolution) – one at SLAC under Burton Richter, and one at Brookhaven National Laboratory under Samuel Ting. The charm quarks were observed bound with charm antiquarks in mesons. The two parties had assigned the discovered meson two different symbols, J and ψ; thus, it became formally known as the meson. The discovery finally convinced the physics community of the quark model's validity. was the first to coin the terms top and bottom for the additional quarks. In 1977, the bottom quark was observed by a team at Fermilab led by Leon Lederman. This was a strong indicator of the top quark's existence: without the top quark, the bottom quark would have been without a partner. It was not until 1995 that the top quark was finally observed, also by the CDF and DØ teams at Fermilab. almost as large as that of a gold atom.
Электрлік заряд
Кварктардың фракциялық электр заряды бар – элементтік зарядтың (e) теріс (-) немесе оң (+) есесі, бұл олардың «дәміне» байланысты. Жоғары, шарм және топ кварктары (жинап айтқанда жоғары типтегі кварктар) +e зарядына ие; ал төмен, ерекше және төменгі кварктар (төмен типтегі кварктар) -e зарядына ие. Антикварктардың заряды сәйкес кварктарынан кері шартта болады; жоғары типтегі антикварктар -e, ал төмен типтегі антикварктар +e зарядына ие. Хадронның электр заряды құрамындағы кварктардың зарядтарының қосындысы болғандықтан, барлық адрондардың заряды бүтін санмен өрнектеледі: үш кварктан (бариондар), үш антикварктан (антибариондар) немесе кварк пен антикварктан (мезондар) тұратын кез келген комбинация бүтін сан зарядты береді. Мысалы, атом ядросының құрамындағы адрондық бөлшектер – нейтрон мен протонның зарядтары тиісінше 0e және +1e тең; нейтрон екі төменгі кварктан және бір жоғары кварктан, ал протон екі жоғары кварктан және бір төменгі кварктан тұрады. Спин, ұзындығы азайтылған Планк тұрақтысы ħ (кейде «h бар» деп айтылады) бірліктерімен өлшенетін вектор арқылы көрсетіледі. Кварктар үшін спин векторының кез келген ось бойындағы өлшемі тек + немесе – мәнін береді; осы себепті кварктар спин-1/2 бөлшектері деп жіктеледі. Спиннің белгілі бір ось бойындағы (әдетте z ось) компоненті, + мәні үшін жоғары бағытталған жебе ↑ және – мәні үшін төмен бағытталған жебе ↓ арқылы көрсетіледі, бұл белгі дәм символынан кейін қойылады. Мысалы, z осьінде + спині бар жоғары кварк u↑ деп белгіленеді.
Quarks have fractional electric charge values – either (−) or (+) times the elementary charge (e), depending on flavor. Up, charm, and top quarks (collectively referred to as up type quarks) have a charge of + e; down, strange, and bottom quarks (down type quarks) have a charge of − e. Antiquarks have the opposite charge to their corresponding quarks; up type antiquarks have charges of − e and down type antiquarks have charges of + e. Since the electric charge of a hadron is the sum of the charges of the constituent quarks, all hadrons have integer charges: the combination of three quarks (baryons), three antiquarks (antibaryons), or a quark and an antiquark (mesons) always results in integer charges. For example, the hadron constituents of atomic nuclei, neutrons and protons, have charges of 0 e and +1 e respectively; the neutron is composed of two down quarks and one up quark, and the proton of two up quarks and one down quark. Spin can be represented by a vector whose length is measured in units of the reduced Planck constant ħ (pronounced "h bar"). For quarks, a measurement of the spin vector component along any axis can only yield the values + or −; for this reason quarks are classified as spin particles. The component of spin along a given axis – by convention the z axis – is often denoted by an up arrow ↑ for the value + and down arrow ↓ for the value −, placed after the symbol for flavor. For example, an up quark with a spin of + along the z axis is denoted by u↑.
Қатты өзара әсерлесу және түстер заряды
Кванттық хромодинамикаға (QCD) сәйкес кварктарда түс заряды деп аталатын қасиет бар. Түс зарядының үш түрі бар, олар шартты түрде көк, жасыл және қызыл деп белгіленеді. Олардың әрқайсысы антикөк, антижасыл және антиқызыл түстермен толықтырылады. Әрбір кварк түс тасымалдайды, ал әрбір антикварк антитүс тасымалдайды. Үш түстің әртүрлі комбинацияларымен зарядталған кварктар арасындағы тартым және итергіш күштер жүйесі күшті өзара әрекеттесу деп аталады, ол күшті тасымалдаушы бөлшектер – глюондар арқылы жүзеге асырылады; бұл туралы төменде кеңінен талқыланады. Күшті өзара әрекеттесуді сипаттайтын теория кванттық хромодинамика (QCD) деп аталады. Бір түс мәніне ие кварк, сәйкес антитүс тасымалдайтын антикваркпен байланысқан жүйені құра алады. Екі тартылған кварктан туындайтын нәтиже түс бейтараптығы болады: түс заряды ξ бар кварк пен түс заряды -ξ бар антикварк 0 түс зарядына (немесе "ақ" түске) және мезонның пайда болуына әкеледі. Бұл негізгі оптикадағы аддитивті түстер моделіне ұқсас. Сол сияқты, әрқайсысы әртүрлі түс зарядтарына ие үш кварк немесе әрқайсысы әртүрлі антитүс зарядтарына ие үш антикварк бірігіп, бірдей "ақ" түс зарядына ие болады және барион немесе антибарион пайда болады. Қазіргі заманғы бөлшектер физикасында өлшеу симметриялары – симметрия тобының бір түрі – бөлшектер арасындағы өзара әрекеттесуді байланыстырады (өлшеу теорияларын қараңыз). Түс SU(3) (әдетте SU(3)c деп қысқартылады) – кварктардағы түс зарядын байланыстыратын және кванттық хромодинамиканың анықтамалық симметриясы. Физика заңдары кеңістіктегі x, y және z бағыттарына тәуелді емес және координаттар осі жаңа бағытқа бұрылғанда да өзгермейді, кванттық хромодинамика физикасы үш өлшемді түс кеңістігіндегі көк, қызыл және жасыл деп белгіленген бағыттарға тәуелді емес. SU(3)c түс түрлендірулері түс кеңістігіндегі "бұрылыстарға" сәйкес келеді (математикалық тұрғыдан алғанда, бұл күрделі кеңістік). Әр кварк дәмi f, кварк түстеріне сәйкес келетін fB, fG, fR субтиптерімен бірге үштік құрайды: SU(3)c негізгі өкілдігі бойынша түрленетін үш компонентті кванттық өріс. SU(3)c жергілікті болуы керек деген талап – яғни, оның түрлендірулері кеңістік пен уақытқа байланысты өзгеруге рұқсат етілуі керек – күшті өзара әрекеттесудің қасиеттерін анықтайды. Атап айтқанда, бұл күшті тасымалдаушы ретінде әрекет ететін сегіз глюон түрінің бар екенін білдіреді.
According to quantum chromodynamics (QCD), quarks possess a property called color charge. There are three types of color charge, arbitrarily labeled blue, green, and red. Each of them is complemented by an anticolor – antiblue, antigreen, and antired. Every quark carries a color, while every antiquark carries an anticolor. The system of attraction and repulsion between quarks charged with different combinations of the three colors is called strong interaction, which is mediated by force carrying particles known as gluons; this is discussed at length below. The theory that describes strong interactions is called quantum chromodynamics (QCD). A quark, which will have a single color value, can form a bound system with an antiquark carrying the corresponding anticolor. The result of two attracting quarks will be color neutrality: a quark with color charge ξ plus an antiquark with color charge −ξ will result in a color charge of 0 (or "white" color) and the formation of a meson. This is analogous to the additive color model in basic optics. Similarly, the combination of three quarks, each with different color charges, or three antiquarks, each with different anticolor charges, will result in the same "white" color charge and the formation of a baryon or antibaryon. In modern particle physics, gauge symmetries – a kind of symmetry group – relate interactions between particles (see gauge theories). Color SU(3) (commonly abbreviated to SU(3)c) is the gauge symmetry that relates the color charge in quarks and is the defining symmetry for quantum chromodynamics. Just as the laws of physics are independent of which directions in space are designated x, y, and z, and remain unchanged if the coordinate axes are rotated to a new orientation, the physics of quantum chromodynamics is independent of which directions in three dimensional color space are identified as blue, red, and green. SU(3)c color transformations correspond to "rotations" in color space (which, mathematically speaking, is a complex space). Every quark flavor f, each with subtypes fB, fG, fR corresponding to the quark colors, forms a triplet: a three component quantum field that transforms under the fundamental representation of SU(3)c. The requirement that SU(3)c should be local – that is, that its transformations be allowed to vary with space and time – determines the properties of the strong interaction. In particular, it implies the existence of eight gluon types to act as its force carriers.
Массасы
Кварк массасына қатысты екі термин қолданылады: ағымдағы кварк массасы – кварк өзінің массасын білдіреді, ал құрамдас кварк массасы – ағымдағы кварк массасымен кваркты қоршаған глюондық бөлшектер өрісінің массасының қосындысы. Бұл массалардың шамалары әдетте өте әртүрлі болады. Гадронның массасының көп бөлігі кварктердің өзінен емес, құрамдас кварктарды байланыстыратын глюондардан тұрады. Глюондар өзінен-өзі массасыз болғанымен, олар энергияға ие, дәлірек айтқанда, кванттық хромодинамиканың байланысу энергиясына (QCBE), және осы энергия гадронның жалпы массасына үлкен үлес қосады (ерекше салыстырмалылық теориясындағы массаға қараңыз). Мысалы, протонның массасы шамамен 938-ге тең, ал оның үш валентті кваркінің тыныштық массасы оның тек шамамен 9-ын құрайды; қалған бөлігінің көп бөлігі глюондардың өрістік энергиясына байланысты болуы мүмкін (хиральдық симметрияның бұзылуына қараңыз). Стандартты модель элементар бөлшектердің массаларын Хиггс механизмі арқылы алады деп болжайды, бұл механизм Хиггс бозонымен байланысты. Жоғары кварктың шамамен 173 массасы, яғни алтын атомының массасына жуық үлкен массасының себептерін зерттеу кварктар мен басқа да элементар бөлшектердің массасының пайда болуы туралы қосымша мәліметтер беруі мүмкін деп үміттеніледі.
Two terms are used in referring to a quark's mass: current quark mass refers to the mass of a quark by itself, while constituent quark mass refers to the current quark mass plus the mass of the gluon particle field surrounding the quark. These masses typically have very different values. Most of a hadron's mass comes from the gluons that bind the constituent quarks together, rather than from the quarks themselves. While gluons are inherently massless, they possess energy – more specifically, quantum chromodynamics binding energy (QCBE) – and it is this that contributes so greatly to the overall mass of the hadron (see mass in special relativity). For example, a proton has a mass of approximately 938, of which the rest mass of its three valence quarks only contributes about 9; much of the remainder can be attributed to the field energy of the gluons (see chiral symmetry breaking). The Standard Model posits that elementary particles derive their masses from the Higgs mechanism, which is associated to the Higgs boson. It is hoped that further research into the reasons for the top quark's large mass of ~173, almost the mass of a gold atom, might reveal more about the origin of the mass of quarks and other elementary particles.
Өлшемі
КВД-да кварктер нүкте тәрізді, мөлшері жоқ деп есептеледі. 2014 жылғы тәжірибелік деректер олардың бір протоннан 10−4 есе кішкентай екенін, яғни 10−19 метрден кем екенін көрсетеді.
In QCD, quarks are considered to be point like entities, with zero size. As of 2014, experimental evidence indicates they are no bigger than 10−4 times the size of a proton, i. e. less than 10−19 metres.
Қасиеттер кестесі
Келесі кестеде алты кварктің негізгі қасиеттері көрсетілген. Дәм кванттық сандары (изоспин (I3), шарм (C), таңқаларлық (S, спинмен шатастырмау), топтық (T) және төмендік (B′)) белгілі бір кварк дәмдеріне беріледі және кварк негізіндегі жүйелер мен адрондардың қасиеттерін көрсетеді. Бариондық сан (B) барлық кварктар үшін + болып табылады, себебі бариондар үш кварктан тұрады. Антикварктар үшін электр заряды (Q) және барлық дәм кванттық сандары (B, I3, C, S, T және B′) кері таңбаға ие. Масса және жалпы бұрыштық импульс (J; нүктелі бөлшектер үшін спинге тең) антикварктар үшін таңбасын өзгертпейді. +Кварк дәмдерінің қасиеттері Бөлшек массасы* (ul=MeV/c2) J B Q (e) I3 C S T B′ Антибөлшек атауы Символ Атауы СимволБірінші буын жоғары 2.3 ± 0.5 + + + 0 0 0 0 анти-up төмен 4.8 ± 0.3 + − − 0 0 0 0 анти-down Екінші буын шарм 1275 + + 0 +1 0 0 0 анти-шарм ғажайып 95 + − 0 0 −1 0 0 анти-ғажайып Үшінші буын топ 173210 ± 710 * + + 0 0 0 +1 0 антитоп төмен 4180 + − 0 0 0 0 −1 антитөмен
The following table summarizes the key properties of the six quarks. Flavor quantum numbers (isospin (I3), charm (C), strangeness (S, not to be confused with spin), topness (T), and bottomness (B′)) are assigned to certain quark flavors, and denote qualities of quark based systems and hadrons. The baryon number (B) is + for all quarks, as baryons are made of three quarks. For antiquarks, the electric charge (Q) and all flavor quantum numbers (B, I3, C, S, T, and B′) are of opposite sign. Mass and total angular momentum (J; equal to spin for point particles) do not change sign for the antiquarks. +Quark flavor properties Particle Mass* (ul=MeV/c2) J B Q (e) I3 C S T B′ Antiparticle Name Symbol Name SymbolFirst generation up 2.3 ± 0.5 + + + 0 0 0 0 antiup down 4.8 ± 0.3 + − − 0 0 0 0 antidown Second generation charm 1275 + + 0 +1 0 0 0 anticharm strange 95 + − 0 0 −1 0 0 antistrange Third generation top 173210 ± 710 * + + 0 0 0 +1 0 antitop bottom 4180 + − 0 0 0 0 −1 antibottom
Бір-бірімен әрекеттесетін кварктар
Кванттық хромодинамикада сипатталғандай, кварктар арасындағы күшті өзара әрекеттесу глюондар, массасыз векторлық өлшегіш бозондар арқылы жүзеге асады. Әрбір глюон бір түсті және бір антитүсті зарядты алып жүреді. Бөлшектердің өзара әрекеттесуінің стандартты аясында (жалпырақталған perturbation theory деп аталатын тұжырымдаманың бір бөлігі), глюондар кварктар арасында үнемі сәуле шығару және сіңіру процестері арқылы алмасады. Глюон кварктар арасында ауысқанда, екеуінде де түс өзгерісі болады; мысалы, егер қызыл кварк қызыл-жасыл глюонды шығарса, ол жасыл түске өтеді, ал егер жасыл кварк қызыл-жасыл глюонды сіңіріп алса, ол қызыл түске өтеді. Сондықтан, әр кварктің түсі үнемі өзгеріп отыра берсе де, олардың күшті өзара әрекеттесуі сақталады. Глюондар түсті зарядты тасымалдағандықтан, олар өзге глюондарды шығарып, сіңіре алады. Бұл асимптотикалық еркіндікке алып келеді: кварктар бір-біріне жақындаған сайын, олардың арасындағы хромодинамикалық байланысу күші әлсірейді. Керісінше, кварктар арасындағы қашықтық артқан сайын, байланысу күші күшейеді. Түс өрісі керіліске түседі, дәл солай эластикалық лента созылғанда керіледі, ал өрісті күшейту үшін тиісті түстің қосымша глюондары спонтанды түрде пайда болады. Белгілі бір энергия деңгейінен асып кеткенде, кварктар мен антикварктар жұптары пайда болады. Бұл жұптар кварктардың бөлінуіне себеп болып, жаңа адрондардың пайда болуына әкеледі. Бұл құбылыс түспен шектелу деп аталады: кварктар ешқашан оқшауланған күйде кездеспейді. Бұл адронизация процесі жоғары энергиялы соқтығысу нәтижесінде пайда болған кварктар, басқа тәсілмен өзара әрекеттесуге үлкермес бұрын жүзеге асады. Бір ғана ерекшелік – жоғарғы кварк, ол адронизацияға дейін ыдырай алады.
As described by quantum chromodynamics, the strong interaction between quarks is mediated by gluons, massless vector gauge bosons. Each gluon carries one color charge and one anticolor charge. In the standard framework of particle interactions (part of a more general formulation known as perturbation theory), gluons are constantly exchanged between quarks through a virtual emission and absorption process. When a gluon is transferred between quarks, a color change occurs in both; for example, if a red quark emits a red–antigreen gluon, it becomes green, and if a green quark absorbs a red–antigreen gluon, it becomes red. Therefore, while each quark's color constantly changes, their strong interaction is preserved. Since gluons carry color charge, they themselves are able to emit and absorb other gluons. This causes asymptotic freedom: as quarks come closer to each other, the chromodynamic binding force between them weakens. Conversely, as the distance between quarks increases, the binding force strengthens. The color field becomes stressed, much as an elastic band is stressed when stretched, and more gluons of appropriate color are spontaneously created to strengthen the field. Above a certain energy threshold, pairs of quarks and antiquarks are created. These pairs bind with the quarks being separated, causing new hadrons to form. This phenomenon is known as color confinement: quarks never appear in isolation. This process of hadronization occurs before quarks, formed in a high energy collision, are able to interact in any other way. The only exception is the top quark, which may decay before it hadronizes.
Теңіз кварктары
Хадрондарда кванттық сандарына үлес қосатын валентті кварктармен қатар, виртуалды кварк-антикварк жұптары, теңіз кварктары болады. Теңіз кварктары адронның түсті өрісінің глюоны бөлінген кезде пайда болады; бұл процесс кері де жұмыс істейді, яғни екі теңіз кваркінің жойылғанда глюон тудырады. Соның салдарынан глюондардың бөлінуі мен пайда болуының үздіксіз ағыны қалыптасады, бұл "теңіз" деп аталады. Теңіз кварктары валентті кварктарға қарағанда әлдеқайда тұрақсыз, және олар көбінесе адронның ішінде бір-бірін жояды. Дегенмен, теңіз кварктары белгілі жағдайларда бариондық немесе мезондық бөлшектерге айналуы мүмкін.
Hadrons contain, along with the valence quarks that contribute to their quantum numbers, virtual quark–antiquark pairs known as sea quarks Sea quarks form when a gluon of the hadron's color field splits; this process also works in reverse in that the annihilation of two sea quarks produces a gluon. The result is a constant flux of gluon splits and creations colloquially known as "the sea". Sea quarks are much less stable than their valence counterparts, and they typically annihilate each other within the interior of the hadron. Despite this, sea quarks can hadronize into baryonic or mesonic particles under certain circumstances.
Кварк материясының басқа фазалары
Жетілді-жетілді экстремалды жағдайларда кварктар байланысқан күйлерден "ажырап", үлкен ортада термалдықтанған "еркін" қоздырылымдар ретінде таралуы мүмкін. Асимптотикалық бостандық кезінде температураның жоғарылауымен күшті өзара әрекеттесу әлсірейді. Соңында, түстің тұтқыны еркін қозғалатын кварктар мен глюондардан тұратын өте ыстық плазмада жоғалады. Бұл материяның теориялық фазасы кварк-глюон плазмасы деп аталады. Бұл күйге жету үшін қажетті нақты жағдайлар белгісіз және осыған байланысты көптеген болжамдар мен тәжірибелер жүргізілді. Қажетті температура 1,90 кельвинге тең деп есептеледі. Толыққанды еркін кварктар мен глюондар күйіне әзірге қол жеткізілмегенімен (CERN-нің 1980 және 1990 жылдардағы көптеген әрекеттеріне қарамастан), салыстырмалы ауыр иондарды шағылыстыратын коллайдердегі жаңа тәжірибелер "қазіргі кездегіге жақын" ағыс қозғалысын көрсететін сұйық тәрізді кварк материясының болуын дәлелдеді. Кварк-глюон плазмасы ауыр кварк жұптарының санының жоғары және төмен кварк жұптарының санына қатысты айтарлықтай артуымен сипатталады. Ғалымдардың пікірінше, Ұлы Жарылыстан кейінгі 10−6 секундқа дейінгі кезеңде (кварк эпохасы) ғалам кварк-глюон плазмасымен толған, себебі температура адрондардың тұрақты болуы үшін тым жоғары болды. Бариондық тығыздық жеткілікті түрде жоғары және температура салыстырмалы түрде төмен болған жағдайда – мысалы, нейтронды жұлдыздарда кездесетіндей – кварк материясының әлсіз өзара әрекеттесетін кварктардың Ферми сұйықтығына айналуы күтілуде. Бұл сұйықтық түсті кварк Купер жұптарының конденсациялануымен сипатталады, осылайша жергілікті SU(3)c симметриясы бұзылады. Купер жұптары түсті зарядты ұстағандықтан, кварк материясының мұндай фазасы түсті суперөткізгіш болады; яғни түсті заряд оны кедергісіз өте алады.
Under sufficiently extreme conditions, quarks may become "deconfined" out of bound states and propagate as thermalized "free" excitations in the larger medium. In the course of asymptotic freedom, the strong interaction becomes weaker at increasing temperatures. Eventually, color confinement would be effectively lost in an extremely hot plasma of freely moving quarks and gluons. This theoretical phase of matter is called quark–gluon plasma. The exact conditions needed to give rise to this state are unknown and have been the subject of a great deal of speculation and experimentation. An estimate puts the needed temperature at 1.90 kelvin. While a state of entirely free quarks and gluons has never been achieved (despite numerous attempts by CERN in the 1980s and 1990s), recent experiments at the Relativistic Heavy Ion Collider have yielded evidence for liquid like quark matter exhibiting "nearly perfect" fluid motion. The quark–gluon plasma would be characterized by a great increase in the number of heavier quark pairs in relation to the number of up and down quark pairs. It is believed that in the period prior to 10−6 seconds after the Big Bang (the quark epoch), the universe was filled with quark–gluon plasma, as the temperature was too high for hadrons to be stable. Given sufficiently high baryon densities and relatively low temperatures – possibly comparable to those found in neutron stars – quark matter is expected to degenerate into a Fermi liquid of weakly interacting quarks. This liquid would be characterized by a condensation of colored quark Cooper pairs, thereby breaking the local SU(3)c symmetry. Because quark Cooper pairs harbor color charge, such a phase of quark matter would be color superconductive; that is, color charge would be able to pass through it with no resistance.