Quark (particula)

Quark
Un proton , compus din doi quark în sus și unul în jos, și gluonii care mediază forța puternică care leagă quark-urile. Atribuirea culorii fiecărui quark este arbitrară, dar toate tipurile de culoare trebuie să fie prezente pentru a obține o încărcare zero totală.
Clasificare	Particulă elementară
Familie	Fermiuni
Generaţie	Primul, al doilea, al treilea
Interacțiuni	Electromagnetic , gravitațional , puternic , slab
Simbol	q
Antiparticulă	Antiquark ( q )
Nici tipuri	6 ( sus , jos , farmec , ciudat , sus și jos )
Teorizat	Murray Gell-Mann (1964) George Zweig (1964)
Descoperire	SLAC (1968)
Proprietăți fizice
Incarcare electrica	+ 2 ⁄ 3 e ( u , c , t ) - 1 ⁄ 3 e ( d , s , b )
Sarcina de culoare	Da
A învârti	1 ⁄ 2
Numărul barionului	1 ⁄ 3

In fizica particulelor , cuarc ( AFI : / kwark / ; ^[1] simbolul q) este un constituent fundamental particulă elementară a materiei .

Datorită unui fenomen cunoscut sub numele de confinare , quark-urile nu sunt niciodată observabile individual în natură la energii scăzute și există doar ca constituenți ai particulelor compozite numite hadroni , ale căror forme cele mai stabile, protoni și neutroni , sunt componentele nucleelor ​​atomice ; ^{[2] [3] [4] [5]} din acest motiv, o mare parte din ceea ce se știe despre quarks este dedus din experimente care implică acest tip de particule.

Quark-urile au diverse proprietăți intrinseci, inclusiv masă , sarcină electrică , încărcare de culoare și rotire . Ele sunt singurele particule elementare ale modelului standard care participă la toate cele patru interacțiuni fundamentale ( electromagnetice , gravitaționale , puternice și slabe ), ^[6] precum și singurele particule a căror sarcină electrică nu este un multiplu întreg al sarcinii elementare a electronul ; quarcii au o sarcină electrică de + ² ⁄ ₃ sau - ¹ ⁄ ₃ .

Există șase tipuri de quarks, care au arome diferite: sus , jos , ciudat , farmec , jos și sus .^[7] Quarkurile în sus și în jos, cele mai frecvente în univers , au o masă mai mică decât celelalte și sunt în general cele mai stabile; din acest motiv ciudatul, farmecul, quarcurile de jos și de sus se descompun rapid în quarcuri în sus și în jos și pot fi produse numai în reacții de mare energie și coliziuni, cum ar fi cele din acceleratorii de particule sau care implică raze cosmice . Pentru fiecare tip de quark există un tip corespunzător de antiparticule , numit antiquark , care diferă de quark numai în unele proprietăți (cum ar fi sarcina electrică) care au același modul, dar semn opus .

Quarcurile au fost introduse ca parte a unei scheme de clasificare hadroni, modelul quarc , care a fost propus în mod independent de fizicieni Murray Gell-Mann și George Zweig în 1964. ^[8] A existat inițial puține dovezi pentru a confirma prezența acestor particule., Dar profund experimente de împrăștiere inelastică la Stanford Linear Accelerator Center în 1968 și-au dovedit existența. ^{[3] [9] [10]} De-a lungul timpului, diferite experimente efectuate cu acceleratoare de particule au verificat cele șase arome de quark pe care le cunoaștem astăzi; ultimul care a fost descoperit a fost quarkul de sus , observat pentru prima dată la Fermilab în 1995. ^[8]

Etimologie

La început, Gell-Mann a fost indecis cu privire la ortografia reală a termenului pe care intenționa să-l inventeze, până când a găsit cuvântul quark în romanul lui James Joyce Finnegans Wake : ^[11]

Cuvântul quark este un cuvânt slav care are origini germane și denotă un produs lactat ^[12], dar este, de asemenea, un termen colocvial care înseamnă „gunoi”. ^{[13] [14]} Gell-Mann a explicat în profunzime alegerea numelui în cartea sa The Quark and the Jaguar ( Adventures in the Simple and the Complex ): ^[15]

Zweig ar fi preferat numele as (as) pentru particula pe care o teorizase, dar termenul ales de Gell-Mann a câștigat mai multă atenție atunci când modelul de quark a început să fie acceptat. ^[16]

Arome de Quark, pe de altă parte, au primit nume diferite din diferite motive. Quark-urile sus (sus) și jos (jos) au primit numele pentru componentele „sus” și „jos” ale izospinului , care conduc ^[17] Quarkurile ciudate se numesc așa deoarece sunt componente ale „particulelor ciudate” ”, descoperite în razele cosmice înainte de a fi propus modelul de quark și de ce au o durată de viață neobișnuit de lungă. ^[18] Glashow , care a propus quark-ul farmec cu Bjorken , a spus: „Am numit noul quark fermecat , deoarece am fost fascinați și mulțumiți de simetria pe care a adus-o în lumea subnucleară”. ^[19] Numele „jos” și „sus” au fost inventate de Harari , care a fost ales pentru că erau partenerii logici ai quark-urilor în sus și în jos ”. ^{[18] [20]} În trecut se referea la partea de jos și de sus quarks cu termenii „frumusețe” și adevăr, ^{[nb 1],} dar aceste nume au căzut în desuetud. ^[21] În timp ce termenul „adevăr” nu a prins niciodată, complexele Accelerator axate pe producția abundentă de quark de fund sunt uneori numite „ frumusețe ” fabrici ". ^[22]

Istorie

Murray Gell-Mann

George Zweig

Teoria quark-ului a fost propusă în 1964 independent de fizicienii americani Murray Gell-Mann ^[23] și George Zweig , ^[24] care au arătat că pot explica proprietățile hadronilor presupunând că acestea sunt compuse din quarks elementari. ^[8] Această teorie a fost avansată la scurt timp după ce Gell-Mann a formulat, în 1961, un sistem de clasificare a particulelor cunoscut sub numele de calea octetului - în termeni mai tehnici, o clasificare legată de simetria aromelor SU (3) . ^[25] În același an, fizicianul Yuval Ne'eman a dezvoltat, de asemenea, în mod independent, un model similar cu calea octetului. ^{[26] [27]} O primă încercare de organizare a constituenților a fost prezentă în modelul Sakata.

La momentul formulării teoriei quarkului, „grădina zoologică a particulelor” includea, printre altele, o multitudine de hadroni . Gell-Mann și Zweig au emis ipoteza că hadronii nu erau particule elementare, ci erau compuse din quark și antiquark. Modelul lor presupunea existența a trei arome de quark (sus, jos și ciudat), cu diferite proprietăți fundamentale, cum ar fi rotirea și încărcarea electrică. ^{[23] [24] [28]} Prima reacție a comunității științifice a fost mixtă. În special, natura quarkurilor era în discuție: nu era clar dacă quark-urile erau entități fizice sau abstracte utilizate doar pentru a explica concepte neînțelese încă la acea vreme. ^[29]

În mai puțin de un an, au fost propuse extensii la modelul Gell-Mann-Zweig. Sheldon Lee Glashow și James Bjorken au prezis existența unui al patrulea gust de quark, pe care l-au numit farmec . Această adăugare a fost propusă deoarece a condus la o mai bună explicație a interacțiunii slabe , care stă la baza decăderii quark-urilor; a echivalat numărul de quarks cu numărul de leptoni cunoscuți și a implicat o formulă de masă care reproduce corect masele mezonilor cunoscuți. ^[30]

În 1968, experimente de împrăștiere inelastică profundă la Stanford Linear Accelerator Center ( SLAC ) au arătat că protonul este alcătuit din obiecte punctiforme mult mai mici și că, prin urmare, nu este o particulă elementară. ^{[9] [10] [31]} La acea vreme, fizicienii erau reticenți să identifice aceste obiecte cu quark; în schimb au fost numiți „ partoni ” - un termen inventat de Richard Feynman . ^{[32] [33] [34]} Particulele punctiforme observate la SLAC vor fi identificate ulterior ca cuarci în sus și în jos atunci când au fost descoperite celelalte arome. ^[35] Cu toate acestea, „parton” rămâne în uz ca termen pentru a se referi în mod colectiv la constituenții hadronii (quarks, antiquarks și gluoni).

Existența ciudatului quark a fost validată indirect de experimentele de împrăștiere ale SLAC: nu numai că a fost o componentă necesară a modelului cu trei cuarci al lui Gell-Mann și Zweig, dar a oferit și o explicație pentru kaon ( K ) și pion ( π ), hadroni descoperiți în razele cosmice în 1947. ^[36]

Într-o lucrare din 1970, Glashow, Ioannis Iliopoulos și Luciano Maiani au prezentat mecanismul GIM pentru a explica de ce curenții neutri care schimbă aroma nu au fost niciodată observați experimental. Acest model teoretic a cerut existența quarkului farmec, care nu a fost încă descoperit la acea vreme. ^{[37] [38]} Numărul de quarks ipotetici a ajuns la șase în 1973, când Makoto Kobayashi și Toshihide Maskawa au observat că observația experimentală a încălcării CP ^{[nb 2] [39]} ar putea fi explicată dacă ar exista o altă pereche de quark.

Mesonii care conțineau quarks de farmec au fost descoperiți aproape simultan de două echipe în noiembrie 1974 - una la SLAC sub conducerea Burton Richter și una la Laboratorul Național Brookhaven sub conducerea lui Samuel Ting . Au fost observați quark-uri de farmec legate de farmecul antiquark pentru a forma un mezon. Cele două echipe au atribuit mezonului descoperit două simboluri diferite, J și ψ; prin urmare, mezonul a devenit formal cunoscut sub numele de mezonul J / ψ . Descoperirea a convins definitiv comunitatea științifică de validitatea modelului de quark. ^[34]

În anii următori, s-au făcut mai multe propuneri pentru extinderea modelului cu șase quark. Dintre acestea, lucrarea lui Haim Harari din 1974 ^{[20] a} fost prima care a inventat termenii de sus și de jos pentru cei doi quarks suplimentari. ^[40] În 1977, quarkul de jos a fost observat de o echipă condusă de Leon Lederman la Fermilab . ^{[41] [42]} Acesta a fost un indicator puternic al existenței quarkului superior: fără quarkul superior, quarkul inferior nu ar avea un partener din aceeași generație. Cu toate acestea, quarkul de top nu a fost descoperit decât în ​​1995, din nou de către echipele CDF ^[43] și DØ ^{[44] de} la Fermilab. ^[8] Avea o masă mult mai mare decât se aștepta, ^[45] aproape la fel de mult ca cea a unui atom de aur . ^[46]

Clasificare

Subdiviziunea particulelor în modelul standard . Cele șase tipuri (sau arome ) de quarks sunt colorate în violet. Coloanele reprezintă cele trei generații de fermioni .

Modelul standard este structura teoretică care descrie toate particulele elementare cunoscute în prezent. Acest model conține șase arome de quark ( q ), denumit sus ( u ), jos ( d ), ciudat ( e ), farmec ( c ), jos ( b ) și sus ( t ).^[7] Antiparticulele de quark se numesc antiquarks și sunt indicate cu o bară deasupra simbolului quarkului corespunzător; de exemplu u indică un antiquark up. La fel ca în cazul antimateriei, în general, antiquark-urile au aceeași masă, durată de viață și rotire ca și quark-urile lor respective, dar sarcina electrică și celelalte sarcini au semnul opus. ^[47]

Quarcurile sunt particule de spin semi-întregi; aceasta implică, prin teorema spin-statisticii , că sunt fermioni . Ele sunt supuse principiului excluderii Pauli , care afirmă că doi fermioni identici nu pot ocupa simultan aceeași stare cuantică. Acest lucru îi diferențiază de bosoni (particule de spin întregi), care pot fi în aceeași stare în orice număr. ^[48] Spre deosebire de leptoni , quarcii au sarcina culorii , ceea ce îi determină să ia parte la interacțiunea puternică. Atracția dintre quarks determină formarea particulelor compuse numite hadroni .

Cuarcii care determină numărul cuantic al hadronilor se numesc quarcuri de valență (numiți și quarcuri îmbrăcați ); pe lângă acestea, hadronii pot conține un număr nedefinit de quark, antiquark și gluoni „de mare” (numiți și quarks goi ), care nu afectează numerele cuantice. ^{[3] [49]} Există două familii de hadroni: barionii , cu trei quark de valență, și mezonii , cu un quark și un antiquark de valență. ^[50] Cele mai frecvente barioni sunt protonii și neutronii, constituenții nucleelor. ^[51] Se cunoaște un număr mare de hadroni, care diferă între ei prin quarcurile pe care le conțin și prin starea lor. Existența hadronilor exotici cu mai mult de trei quark de valență, cum ar fi tetraquark ( q q q q ) și pentaquark ( q q q q q ), a fost ipotezată de la începutul modelului de quark ^[52], dar nu a fost confirmată decât la începutul secolului XXI. ^{[53] [54] [55] [56]}

Fermionii elementari sunt grupați în trei generații, fiecare cuprinzând doi leptoni și doi quarks. Prima generație include quarks în sus și în jos, a doua este farmec și ciudat, iar a treia este sus și jos. Căutările pentru a patra generație de fermioni au eșuat, ^[57] și, potrivit unor autori, nu există mai mult de trei generații. ^{[nb 3] [58] [59] [60]} Particulele generațiilor superioare au, în general, o masă mai mare, dar o stabilitate mai mică, ceea ce le face să se descompună în particule de generație mai mică prin interacțiunea slabă . Doar quark-urile din prima generație (sus și jos) există în mod spontan în natură. Cuarcii mai grei pot proveni doar din coliziuni cu energie mare, care apar în mod natural în razele cosmice și se descompun rapid. Se crede că au fost prezenți în primele momente după Big Bang , când universul se afla într-o fază extrem de caldă și densă. Cuarcurile mai grele sunt create artificial în acceleratorii de particule . ^[61]

Deoarece posedă sarcină electrică, masă, culoare și aromă, quarcii sunt singurele particule elementare despre care se știe că sunt implicate în toate cele patru interacțiuni fundamentale ale fizicii contemporane: electromagnetism, gravitație, interacțiune puternică și interacțiune slabă. ^[51] Gravitația este prea slabă pentru a fi relevantă în interacțiunile atomice și subatomice, cu excepția valorilor extreme ale energiei ( energia Planck ) și a distanței ( lungimea Planck ). Mai mult, deoarece nu există o teorie cuantică a gravitației, interacțiunea gravitațională dintre quark-uri nu este descrisă de modelul standard .

Proprietate

Incarcare electrica

Același subiect în detaliu: Încărcarea electrică .

Quark-urile au valori fracționale ale sarcinii electrice: o (- ^_1/3) sau (+ ^_2/3) ori de sarcina ( sarcinile) elementară (e), în funcție de aromă. Cuarcul sus, farmec și superior (numiți quarcuri de tip sus ) au o încărcare de + ² ⁄ ₃ e, în timp ce quarcurile de jos, ciudate și inferioare ( quarks de tip descendent ) au - ¹ ⁄ ₃ e. Antiquarkurile au sarcina opusă quarkului corespunzător; cele de tip up au taxe de - ² ⁄ ₃ iar cele de tip down au taxe de + ¹ ⁄ ₃ e. Deoarece sarcina electrică a unui hadron este suma sarcinilor quark-urilor constituente, toți hadronii au sarcini întregi: combinația a trei quark (barioni), trei antiquark (antibarioni) sau a unui quark și a unui antiquark (mezoni) rezultă întotdeauna în sarcini întregi. ^[62] De exemplu, constituenții hadronici ai nucleilor atomici, protoni și neutroni, au sarcina +1 și respectiv 0; neutronul este compus din două quarcuri descendente și unul din quarkul în sus, în timp ce protonul este compus din doi quarcuri în sus și un quarc în jos. ^[51]

A învârti

Același subiect în detaliu: Rotire .

Spinul este o proprietate intrinsecă a particulelor elementare, iar direcția sa este un grad important de libertate . Este adesea privit ca rotația unui obiect în jurul axei sale (de unde și denumirea de „ spin ”, care în engleză înseamnă spin), deși acest concept este înșelător la scări subatomice, deoarece particulele elementare ar trebui să fie punctiforme. ^[63]

Rotirea poate fi reprezentată printr-un vector a cărui lungime este măsurată în unități ale constantei Planck reduse ħ (pronunțată "tăiat h"). Pentru quarks, o măsurare a componentei de rotire de-a lungul oricărei axe dă numai valorile + ħ / 2 sau - ħ / 2; din acest motiv, quarcurile sunt clasificate ca particule cu spin ¹ ⁄ ₂ . ^[64] Componenta rotirii de-a lungul unei axe date - prin convenție axa z - este adesea indicată cu o săgeată în sus (↑) pentru valoarea + ¹ ⁄ ₂ și o săgeată în jos (↓) pentru valoarea - ¹ ⁄ ₂ , masa după simbolul de aromă. De exemplu, un quark cu o rotire de + _{^{1/2 de}} -a lungul axei Z este notat cu u ↑. ^[65]

Interacțiune slabă

Același subiect în detaliu: interacțiune slabă .

Diagrama Feynman a decăderii beta în funcție de timp. Matricea CKM codifică probabilitatea ca acesta și alte moduri de decădere a quarkului.

Un quark poate schimba aroma doar printr- o interacțiune slabă , una dintre cele patru interacțiuni fundamentale din fizica particulelor . Prin absorbția sau emiterea unui boson W , orice quark „sus” (sus, farmec și sus) poate deveni un quark „jos” (jos, ciudat și jos) și invers. Acest mecanism de transformare a aromei determină un proces de dezintegrare beta radioactivă în care un neutron (n) se descompune într-un proton (p), un electron (e ^- ) și un electron antineutrino ν _e . Acest lucru se întâmplă atunci când unul dintre quarcurile descendente ale neutronului (udd) se transformă într-un quark ascendent prin emiterea unui boson W virtual care transformă neutronul într-un proton (uud). Bosonul W se descompune într-un electron și un electron antineutrino. ^[66]

Atât dezintegrarea beta (β ^- ), cât și procesul invers (β ⁺ ), în care un proton se transformă într-un neutron emițând un pozitron și un neutrino de electroni, sunt utilizate în mod normal în experimente cu energie ridicată pentru detectarea neutrinilor ; Dezintegrarea β ⁺ este utilizată în diagnosticul medical, tomografia cu emisie de pozitroni (PET).

Puterea interacțiunilor slabe dintre cei șase quarcuri. Intensitatea liniilor este determinată de elementele matricei CKM .

Deși procesul de transformare a aromei este același pentru toți quarkii, fiecare dintre ei are o probabilitate mai mare de a se transforma într-un quark de aceeași generație . Matricea unitară care transformă quarkii care participă la interacțiunile slabe se numește matricea CKM (Cabibbo - Kobayashi - Maskawa): ^[67]

{\ 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 {,} 225 & 0 {,} 003 \ \ 0 {,} 225 și 0 {,} 973 și 0 {,} 041 \\ 0 {,} 009 și 0 {,} 040 și 0 {,} 999 \ end {bmatrix}},}

unde V _ij reprezintă tendința unui quark de aromă i de a se transforma într-un quark de aromă j (sau invers). ^{[nb 4]}

Matricea echivalentă de dezintegrare a leptonilor (în dreapta bosonului W din diagrama Feynman) se numește matricea Pontecorvo - Maki - Nakagawa - Sakata sau matricea PMNS . ^[68] Cele două matrice CKM și PMNS descriu împreună toate transformările aromelor, dar relația dintre cele două nu este încă bine înțeleasă. ^[69]

Interacțiune puternică și colorată

Același subiect în detaliu: încărcarea culorii și interacțiunea puternică .

Mesoni, barioni și antibarioni reprezentați cu încărcăturile de culoare ale quark-urilor

Schema de încărcare puternică pentru cele trei culori ale quark-urilor, trei antiquark-uri și opt gluoni (cu două suprapuse cu încărcare zero).

Pe baza cromodinamicii cuantice (QCD), quarkii posedă o proprietate numită încărcare de culoare . Există trei tipuri de încărcare a culorilor, notate în mod arbitrar cu albastru , verde și roșu . ^{[nb 5]} Fiecare dintre acestea are un anticolor, un complement - anti- albăstruire, anti- verde și antirosso. Fiecare quark are o culoare, în timp ce fiecare antiquark are un anticolor. ^[70]

Atracția și respingerea dintre quark-urile încărcate cu diferite combinații ale celor trei culori este dată de interacțiunea puternică , a cărei cuantă elementară, adică particulele mediante sunt gluonii . Teoria care descrie interacțiunea puternică este cromodinamica cuantică (QCD). Un quark, care are o singură valoare de culoare, se poate lega cu un antiquark care are anticolorul corespunzător. Starea rezultată din două dintre aceste quarkuri, cum ar fi cea a unui mezon , are o culoare neutră: un quark încărcat de culoare ξ plus un antiquark încărcat cu culoare - ξ va avea ca rezultat o încărcare a culorii de 0 (sau culoarea „Alb”) . Suma culorilor este similară cu modelul de amestecare aditivă din optică . În mod similar, combinația a trei quark-uri dintr-un barion (sau un antibaryon), fiecare cu o încărcare de culoare diferită va avea ca rezultat o stare cu aceeași încărcare de culoare „albă”. ^[71] Datorită mecanismului de confinare a încărcăturii de culoare , stările legate de quarks rezultate din interacțiuni puternice pot avea doar o încărcare de culoare zero.

În fizica modernă a particulelor, simetriile ecartamentului - un tip de grup de simetrie - relaționează interacțiunile dintre particule. SU (3) de culoare (prescurtată în mod obișnuit în SU (3) _c ) este simetria gabaritului care leagă sarcina de culoare în quark și este simetria care definește cromodinamica cuantică. ^[72] Așa cum legile fizicii sunt independente de direcția în spațiul x , y și z și rămân neschimbate dacă axele de coordonate sunt rotite, fizica cromodinamicii cuantice nu depinde de ce direcții se află în spațiul de culoare tridimensional. cu care sunt identificate culorile albastru, roșu și verde. Transformările de culoare SU (3) _c corespund „rotațiilor” din spațiul de culoare definit în fiecare punct al spațiului (care din punct de vedere matematic este un spațiu vectorial complex). Fiecare aromă de quark S , cu subtipurile S _B , S _V , S _R corespunzătoare culorilor, ^[73] formează un triplet: un câmp cu trei componente care se transformă în funcție de reprezentarea fundamentală a simetriei SU (3) _c . ^[74] Cerința ca invarianța pentru simetria SU (3) _c să fie locală - ceea ce înseamnă că transformările sale pot varia punct-la-punct în spațiu-timp - determină proprietățile de cuplare dintre gluoni și interacțiunile puternice ale quarcurilor. În special, implică existența a opt tipuri de gluoni ca mediatori. ^{[72] [75]}

Masa

Comparația maselor de quarks curenți pentru toate cele șase arome, ca sfere de volum proporțional. Protonul (gri) și electronul (roșu) sunt prezentate în stânga jos ca o scală

Datorită închiderii, conceptul de masă care se referă la un quark poate fi interpretat în două moduri diferite: masa unui quark curent se referă la masa unui quark în sine, în timp ce masa unui quark constituent se referă la masa curentului de quark plus masa câmpului de gluoni care înconjoară quarkul. ^[76] Aceste mase au de obicei valori foarte diferite. Cea mai mare parte a masei unui hadron provine din gluonii care țin împreună quark-urile constitutive, mai degrabă decât din quark-urile în sine. În timp ce gluonii sunt în mod inerent lipsiți de masă, ei posedă energie - în mod specific, energia de legare a cromodinamicii cuantice (QCBE) - și aceasta contribuie la masa totală a hadronului. De exemplu, un proton are o masă de aproximativ 938 MeV / c ² , iar masa celor trei cuarci ai săi de valență contribuie numai 9 MeV / c ² ; la maggior parte della quantità rimanente può essere attribuita all'energia di campo dei gluoni. ^{[77] [78]} Il modello standard afferma che le particelle elementari prendono le loro masse dal meccanismo di Higgs , che è associato al bosone di Higgs . Si spera che ulteriori ricerche sulle ragioni per la grande massa del quark top, di ~ 173 GeV/ c ² , quasi la massa di un atomo d'oro, ^{[77] [79]} possano rivelare di più riguardo all'origine della massa dei quark e delle altre particelle elementari. ^[80]

Dimensione

Nella QCD, i quark sono considerati particelle elementari puntiformi, senza alcuna dimensione. Al 2014, indizi sperimentali indicano che non sono più grandi di 10 ⁻⁴ volte la grandezza di un protone, cioè meno di 10 ⁻¹⁹ metri. ^[81]

Tabella delle proprietà

Ai vari sapori dei quark sono assegnati dei numeri quantici di sapore: isospin ( I ₃ ), charm ( C ), stranezza ( S , da non confondere con lo spin), topness ( T ), e bottomness ( B ′).

Il numero barionico ( B ) ha lo stesso valore (+ 1/3) per tutti i quark, dal momento che i barioni sono costituiti da tre quark.

Per gli antiquark , la carica elettrica Q ei numeri quantici di sapore ( B , I ₃ , C , S , T , e B ′) hanno segno opposto. La massa e il momento angolare totale invece non sono soggetti al cambiamento di segno.

Le proprietà fondamentali dei sei sapori di quark sono riassunte nella tabella seguente:

Proprietà dei sapori dei quark ^[77]

Particella		Massa ( MeV/ c 2 ) *	J	B	Q	I 3	C	S	T	B′	Antiparticella
Nome	Simbolo										Nome	Simbolo
Prima generazione
Up	u	2,3±0,7 ± 0,5 [nb 6]	1/2	+ 1/3	+ 2/3	+1/2	0	0	0	0	Antiup	${\displaystyle \stackrel{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">¯</span></span>}{\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">u</span></span>}}}${\displaystyle {\bar {\mathrm {u} }}}
Down	d	4,8±0,5 ± 0,3 [nb 6]	1/2	+1/3	−1/3	−1/2	0	0	0	0	Antidown	${\displaystyle \stackrel{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">¯</span></span>}{\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">d</span></span>}}}${\displaystyle {\bar {\mathrm {d} }}}
Seconda generazione
Charm	c	1 275±25	1/2	+1/3	+2/3	0	+1	0	0	0	Anticharm	${\displaystyle \stackrel{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">¯</span></span>}{\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">c</span></span>}}}${\displaystyle {\bar {\mathrm {c} }}}
Strange	s	95±5	1/2	+1/3	−1/3	0	0	−1	0	0	Antistrange	${\displaystyle \stackrel{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">¯</span></span>}{\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">s</span></span>}}}${\displaystyle {\bar {\mathrm {s} }}}
Terza generazione
Top	t	173 210±510 ± 710	1/2	+1/3	+2/3	0	0	0	+1	0	Antitop	${\displaystyle \stackrel{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">¯</span></span>}{\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">t</span></span>}}}${\displaystyle {\bar {\mathrm {t} }}}
Bottom	b	4 180±30	1/2	+1/3	−1/3	0	0	0	0	−1	Antibottom	${\displaystyle \stackrel{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">¯</span></span>}{\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">b</span></span>}}}${\displaystyle {\bar {\mathrm {b} }}}

Quark in interazione

Lo stesso argomento in dettaglio: Confinamento dei quark e Gluone .

Come descritto dalla cromodinamica quantistica , l'interazione forte tra i quark è mediata dai gluoni, bosoni vettori di gauge privi di massa. Ciascun gluone porta una carica di colore e una carica di anticolore. Nella trattazione standard delle interazioni tra le particelle (che fa parte di una formulazione più generale conosciuta come teoria perturbativa ), i gluoni vengono costantemente scambiati tra i quark tramite un processo virtuale di emissione e assorbimento. Quando un gluone viene emesso e assorbito tra i quark, avviene un cambio di colore; ad esempio, se un quark rosso emette un gluone rosso–antiverde, diventa verde, e se un quark verde assorbe un gluone rosso–antiverde, diventa rosso. Pertanto, mentre il colore di ciascun quark cambia in continuazione, la loro carica di interazione forte totale è conservata. ^{[82] [83] [84]}

Siccome i gluoni possiedono una carica di colore, essi stessi sono in grado di assorbire ed emettere altri gluoni. Questa natura non abeliana delle interazioni forti è l'origine della libertà asintotica : man mano che i quark si avvicinano l'un all'altro, la forza di legame cromodinamica tra di loro si abbassa. ^[85] Al contrario, man mano che la distanza tra i quark aumenta, anche la forza di legame aumenta. Il campo di colore diventa sotto sforzo, similmente a un elastico quando viene allungato, e altri gluoni del colore appropriato vengono spontaneamente creati per rinforzare il campo. Sopra una certa soglia di energia diventa più energeticamente favorevole creare coppie di quark, che si legano con i quark che si sono separati, portando alla formazione di nuovi adroni. Questo fenomeno prende il nome di confinamento dei quark (o di colore ): i quark non sono mai isolati ad energie ordinarie in natura. ^{[86] [87]} Questo processo di adronizzazione avviene prima che i quark formati in una collisione ad alta energia, possano interagire in qualsiasi altro modo. L'unica eccezione è il quark top, che potrebbe decadere prima di adronizzare. ^[88]

Quark del mare

Gli adroni contengono, oltre ai quark di valenza ( q _v ) che contribuiscono ai numeri quantici, delle coppie virtuali quark–antiquark ( q q ) dette quark nudi o quark del mare ( q _s , dall'inglese sea quark ). I quark del mare si formano quando un gluone del campo di colore dell'adrone genera due quark o due gluoni; questo processo funziona anche al contrario nel senso che l' annichilazione di due quark del mare produce un gluone. Il risultato è un flusso costante di creazioni di coppie di quark e di gluoni conosciuto in gergo come "il mare". ^[89] I quark del mare sono molto meno stabili delle loro controparti di valenza, e tipicamente si annichilano a vicenda all'interno dell'adrone. Nonostante questo, in alcune circostanze i quark del mare possono adronizzare in particelle barioniche o mesoniche. ^[90]

Diagramma di fase della materia di quark

Lo stesso argomento in dettaglio: Materia di quark .

Diagramma delle fasi della cromodinamica quantistica. I dettagli precisi del diagramma sono ancora oggetto di ricerche ^{[91] [92]}

A basse temperature, i quark sono confinati negli adroni. Ad alte temperature o energie, i quark possono invece uscire dal confinamento ed esistere come particelle libere. Per via della libertà asintotica , l'interazione forte diventa più debole ad alte temperature finché si perde il confinamento di colore e si forma un plasma estremamente caldo di quark e gluoni liberi. Questa fase della materia è detta appunto plasma di quark e gluoni . ^{[3] [93]} Le condizioni precise necessarie a originare questo stato sono ignote e sono state oggetto di numerose speculazioni ed innumerevoli esperimenti. Una stima basata su simulazioni Monte-Carlo su reticolo pone la temperatura necessaria a (1,90 ± 0,02) × 10 ¹² kelvin . ^[94] Mentre uno stato di quark e gluoni completamente liberi non è ancora stato raggiunto (nonostante numerosi tentativi del CERN negli anni 1980 e 1990), ^[95] recenti esperimenti al Relativistic Heavy Ion Collider hanno mostrato della materia di quark in stato liquido in un moto fluido "quasi perfetto". ^[96]

Il plasma di quark e gluoni sarebbe caratterizzato da un grande aumento del numero di coppie dei quark più pesanti rispetto alle coppie di quark up e down. Si crede che nel periodo precedente a 10 ⁻⁶ secondi dopo il Big Bang , l'universo fosse riempito da questo tipo di plasma, dato che la temperatura era troppo alta perché gli adroni fossero stabili. ^[97]

Date una densità barionica sufficientemente alta e temperature relativamente basse – probabilmente paragonabili a quelle trovate nelle stelle di neutroni – ci si aspetta che la materia di quark degeneri in un liquido di Fermi di quark debolmente interagenti. Questo liquido sarebbe caratterizzato da una condensazione di coppie di Cooper di quark colorati, rompendo in tal modo la simmetria locale SU(3) _c . Siccome le coppie di Cooper di quark hanno carica di colore, tale fase della materia di quark sarebbe superconduttiva rispetto al colore ; vale a dire che la carica di colore sarebbe in grado di attraversarla senza resistenza. ^[98]

Note

Annotazioni

Bibliografia

• ( EN ) Frank Close, The New Cosmic Onion , CRC Press , 2006, ISBN 1-58488-798-2 .
• ( EN ) Richard Feynman, The reason for antiparticles , in The 1986 Dirac memorial lectures , Cambridge University Press, 1987, ISBN 0-521-34000-4 .
• ( EN ) Richard Feynman, QED: The Strange Theory of Light and Matter , 1ª ed., Princeton University Press , 1985, ISBN 978-0-691-08388-9 .
  • Richard Feynman, QED: La strana teoria della luce e della materia , Adelphi, ISBN 88-459-0719-8 .
• ( EN ) David J. Griffiths, Introduction to Elementary Particles , 2ª ed., Wiley–VCH, 2008, ISBN 978-3-527-40601-2 .
• ( EN ) Josef-Maria Jauch e Fritz Rohrlich, The Theory of Photons and Electrons , Springer-Verlag, 1980, ISBN 0-201-36075-6 .
• ( EN ) Michael E. Peskin e Daniel V. Schroeder,An Introduction to Quantum Field Theory , Addison-Wesley , 1995, ISBN 978-0-201-50397-5 .
• ( EN ) A. Pickering, Constructing Quarks: A Sociological History of Particle Physics , University of Chicago Press , 1984, ISBN 978-0-226-66799-7 .
• B. Povh, C. Scholz, K. Rith e F. Zetsche, Particles and Nuclei , Springer , 2008, ISBN 978-3-540-79367-0 .
• ( EN ) M. Riordan, The Hunting of the Quark: A True Story of Modern Physics , Simon & Schuster , 1987, ISBN 978-0-671-64884-8 .
• ( EN ) KW Staley, The Evidence for the Top Quark , Cambridge University Press , 2004, ISBN 978-0-521-82710-2 .
• ( EN ) Claude Cohen-Tannoudji, Jacques Dupont-Roc e Gilbert Grynberg, Photons and Atoms: Introduction to Quantum Electrodynamics , John Wiley & Sons, 1997, ISBN 0-471-18433-0 .
• ( EN ) Martinus Veltman, Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics , World Scientific , 2003, ISBN 978-981-238-149-1 .
• ( EN ) Steven Weinberg, The quantum theory of fields, Volume 1: Foundations , Cambridge University Press, 1995, ISBN 0-521-55001-7 .
• ( EN ) Frank Wilczek e Betsy Devine, Fantastic Realities , World Scientific , 2006, ISBN 978-981-256-649-2 .
• ( EN ) Tom Yulsman, Origins: The Quest for Our Cosmic Roots , CRC Press , 2002, ISBN 978-0-7503-0765-9 .

Approfondimenti

• ( EN ) A. Ali e G. Kramer, JETS and QCD: A Historical Review of the Discovery of the Quark and Gluon Jets and Its Impact on QCD , in European Physical Journal H , vol. 36, n. 2, 2011, p. 245, Bibcode : 2011EPJH...36..245A , DOI : 10.1140/epjh/e2011-10047-1 , arXiv : 1012.2288 .
• ( EN ) Roger Bowley e Ed Copeland, Quarks , su sixtysymbols.com , Brady Haran per l' Università di Nottingham .
• ( EN ) IS Hughes, Elementary Particles , 2ª ed., Cambridge University Press , 1985, ISBN 978-0-521-26092-3 .
• ( EN ) R. Oerter,The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics , Pi Press, 2005, ISBN 978-0-13-236678-6 .

Voci correlate

• Murray Gell-Mann
• Antiquark
• Carica di colore
• Sapore (fisica)
• Cromodinamica quantistica
• Modello a quark costituenti
• Gluone

Altri progetti

• Wikiquote contiene citazioni di o su quark
• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su quark

Collegamenti esterni

• Quark , su Treccani.it – Enciclopedie on line , Istituto dell'Enciclopedia Italiana .
• ( EN ) Quark , su Enciclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
• Murray Gell-Mann, 1969 Physics Nobel Prize lecture , su nobelprize.org .
• Burton Richter, 1976 Physics Nobel Prize lecture , su nobelprize.org .
• Samuel CC Ting, 1976 Physics Nobel Prize lecture , su nobelprize.org .
• Makoto Kobayashi, 2008 Physics Nobel Prize lecture , su nobelprize.org .
• Toshihide Maskawa, 2008 Physics Nobel Prize lecture , su nobelprize.org .
• TA Heppenheimer, The Top Quark And The Higgs Particle . – Una descrizione dell'esperimento fatto al CERN per contare le famiglie di quark.

V · D · M Particelle in fisica
Elementari	Fermioni Quark Up · Down · Charm · Strange · Top · Bottom Leptoni Elettrone · Positrone · Muone · Antimuone · Tauone · Antitauone · Neutrino elettronico · Antineutrino elettronico · Neutrino muonico · Antineutrino muonico · Neutrino tauonico · Antineutrino tauonico Bosoni Gauge Fotone · Gluone · Bosoni W e Z Scalari Bosone di Higgs Ipotetiche Sparticelle Gaugini Gluino · Gravitino · Fotino Altre Axino · Chargino · Higgsino · Neutralino · Sfermione · Bosino Altre Assione · Dilatone · Gravitone · Monopolo magnetico · Majorone · Tachione · Bosoni X e Y · bosoni W' e Z' · Neutrino sterile · Preone · Fermione di Majorana Altre Ghost di Faddeev-Popov
Composte	Adroni Barioni / iperoni Nucleone ( Protone · Neutrone ) · Barione delta · Barione lambda · Barione sigma · Barione Xi · Barione omega Mesoni / quarkoni Pione · Mesone rho · Mesoni eta e eta primo · Mesone phi · Mesone omega · Mesone J/Psi · Mesone upsilon · Kaone · Mesone B · Mesone D Adroni esotici Tetraquark · Pentaquark Ipotetiche Barioni esotici Esaquark Mesoni esotici Glueball ( Odderone ) · Mesone theta · Mesone T Altre Molecola mesonica · Pomerone Altre Nuclei atomici · Atomi · Atomi esotici ( Positronio · Muonio · Tauonio · Pionio ) · Atomolecole · Molecole · Superatomo
Quasiparticelle	Droplettone · Eccitone · Fasone · Fonone · Lacuna · Levitone · Magnone · Plasmone · Polaritone · Polarone · Qualunquone · Rotone · Skyrmione · Skyrmione magnetico · Solitone · Solitone di Davydov · Spinone · Topolaritone
Cronologia della scoperta delle particelle

Portale Fisica : accedi alle voci di Wikipedia che trattano di fisica