Tekst źródłowy strony Kwark

'''Kwark''' – [[cząstka elementarna]]<ref>{{Encyklopedia PWN | tytuł = Kwarki | id = 3929590 | data dostępu = 2021-07-22}}</ref>, [[fermiony|fermion]] mający [[ładunek kolorowy]] (czyli podlegający [[oddziaływanie silne|oddziaływaniom silnym]]). Według obecnej wiedzy [[cząstka elementarna|cząstki elementarne]] będące składnikami [[materia (fizyka)|materii]] można podzielić na dwie grupy. Pierwszą grupę stanowią kwarki, drugą grupą są [[Lepton (mechanika kwantowa)|leptony]]. Każda z tych grup zawiera po sześć cząstek oraz ich [[Antymateria|antycząstki]], istnieje więc sześć rodzajów kwarków oraz sześć rodzajów [[antykwark]]ów.

Za symbol kwarka przyjmuje się literę <math>q.</math> Każdemu kwarkowi odpowiada jego antycząstka, antykwark, oznaczany symbolem <math>\overline{q}.</math> Według dzisiejszego stanu wiedzy kwarki są niepodzielne.

== Historia ==
[[Plik:Murray Gell-Mann.jpg|thumb|[[Murray Gell-Mann]] – współtwórca teorii kwarków]]
Hipotezę istnienia kwarków jako elementarnych składników materii wysunęli niezależnie od siebie [[Murray Gell-Mann]] i [[George Zweig]] w 1964 roku. Nazwę zaproponował Gell-Mann. Słowo ''quark'' pochodzi ze zdania ''Three quarks for Muster Mark!'' z powieści [[Finneganów tren|„Finnegans Wake”]] autorstwa [[James Joyce|Jamesa Joyce’a]]. Zdanie to jest zniekształconą formą okrzyku ''Drei Mark für muster Quark!'' ([[język niemiecki|niem.]] „Trzy marki za znakomity twaróg!”), który autor usłyszał na targu. Cytat mówi o trzech kwarkach, a w owym czasie Gell-Mann i Zweig postulowali istnienie właśnie trzech cząstek – ''[[kwark górny|u]]'', ''[[kwark dolny|d]]'' i ''[[kwark dziwny|s]]'' – oraz ich antycząstek: ''<u style="text-decoration:overline">u</u>'', ''<u style="text-decoration:overline">d</u>'' i ''<u style="text-decoration:overline">s</u>''.

Szansa na potwierdzenie istnienia kwarków pojawiła się w 1968 podczas eksperymentów z [[Rozpraszanie głęboko nieelastyczne|głęboko nieelastycznym rozpraszaniem]] elektronów<ref>{{Cytuj stronę |url = http://www.physics.ox.ac.uk/documents/PUS/DIS/SLAC.htm |tytuł = Stanford Linear Accelerator Center |opublikowany = physics.ox.ac.uk |archiwum = https://web.archive.org/web/20080421192608/http://www.physics.ox.ac.uk/documents/PUS/DIS/SLAC.htm |zarchiwizowano = 2008-04-21}}</ref> w [[Stanford Linear Accelerator Center|SLAC]]. Przy mniejszych energiach elektrony odbijały się od protonu tak, jakby był on jednorodną elastyczną kulką. Przy wzroście energii zderzeń, gdy pęd elektronów zwiększano na tyle, że długość [[Fale materii|fali materii]] tych elektronów stała się mniejsza od rozmiarów protonu, elektrony zaczęły rozpraszać się w taki sposób, jakby zderzały się z punktowymi obiektami wewnątrz protonu (to znaczy miały określoną energię i poruszały się pod określonymi kątami do pierwotnego kierunku). Gdyby ładunek wewnątrz protonu był rozłożony równomiernie, elektrony powinny rozpraszać się pod niewielkimi kątami. Eksperyment natomiast ujawnił nadspodziewanie dużo rozproszeń pod dużymi kątami<ref group=uwaga>Zagadnienie niesprężystości tych zderzeń dla omawianego zjawiska jest problemem wtórnym i nieistotnym. Doświadczenie nazwano głęboko nieelastycznym oddziaływaniem elektron–proton dlatego, że przy tak dużych energiach zderzenia część energii kinetycznej jest zużywana na kreację nowych cząstek.</ref><ref>{{Cytuj stronę |url = http://www.physics.ox.ac.uk/documents/PUS/dis/DIS.htm |tytuł = ''Rozpraszanie głęboko niesprężyste'' |opublikowany = physics.ox.ac.uk |archiwum = https://web.archive.org/web/20070919183431/http://www.physics.ox.ac.uk/documents/PUS/dis/DIS.htm |zarchiwizowano = 2007-09-19}} Stanford Linear Accelerator Center.</ref>. Jest to efekt analogiczny do obserwowanego 50 lat wcześniej w [[Eksperyment Rutherforda|doświadczeniu Rutherforda]] (niezgodność kąta rozpraszania z oczekiwaniami).

Siła oddziaływania między kwarkami dąży do nieskończoności dla odległości rzędu 1 [[Femtometr|fm]], czyli rozmiaru protonu, dlatego [[hadrony]] bombardowane coraz większymi energiami w żargonie są „coraz twardsze” (kąt rozproszenia niewiele się zmienia)<ref>''Connection of elastomagnetic nucleon form factors at large Q2 and deep inelastic structure near threshold''. SLAC-PUB-699 December 1969.</ref>.

Doświadczenia te wykazały, że [[proton]]y (podobnie jak [[neutron]]y, o czym przekonano się później) mają wewnętrzną strukturę. Dla opisania zderzeń hadronów [[Richard Feynman]] wprowadził w roku 1969 model, w którym hadrony składały się z innych cząstek, nazwanych przez niego [[Parton (fizyka)|partonami]]. Partony Feynmana zostały szybko zidentyfikowane z kwarkami Gell-Manna oraz z [[gluon]]ami, czyli cząstkami, za pośrednictwem których kwarki oddziałują ze sobą.

Wraz z rozwojem fizyki wysokich energii i [[fizyka cząstek elementarnych|fizyki cząstek elementarnych]] oraz dzięki prowadzonym coraz dokładniejszym badaniom odkrywano kolejne kwarki: ''[[kwark powabny|c]]'', ''[[kwark b|b]]'' i ''[[kwark t|t]]'' oraz ich antycząstki: ''<u style="text-decoration:overline">c</u>'', ''<u style="text-decoration:overline">b</u>'' i ''<u style="text-decoration:overline">t</u>''. Z odkryciem nowych cząstek zaistniała potrzeba dodatkowej parametryzacji. Kwarki zostały podzielone na trzy rodziny (generacje); oprócz tego, stosuje się również podział na '''kwarki lekkie''': [[kwark górny|u]], [[kwark dolny|d]] i [[kwark dziwny|s]] i '''kwarki ciężkie''': c, b i t.

Za potwierdzenie doświadczalne istnienia kwarków [[Henry Kendall]], [[Jerome I. Friedman]] i [[Richard E. Taylor]] otrzymali w 1990 roku [[laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki|Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki]].

== Właściwości kwarków ==
[[Plik:Proton quark structure.svg|mały|Struktura [[proton]]u zbudowanego z trzech kwarków: dwóch górnych „u” i jednego dolnego „d” (układ uud), związanych oddziaływaniem silnym przenoszonym przez gluony]]
Kwarki są cząstkami [[Oddziaływanie silne|oddziałującymi silnie]]. Nie występują one jako [[cząstka swobodna|cząstki swobodne]] i nie da się ich oderwać i odizolować. Kwarki są cząstkami uwięzionymi i występują w układach złożonych, które nazwano hadronami. Zebrane właściwości kwarków przedstawia poniższa tabela.

: {| class="wikitable"
! Nazwa
! Symbol
! Generacja
! Izospin<br />I
! Zapach
! Ładunek<br />[[Ładunek elektryczny elementarny|e]]
! Masa bieżąca<br />m ([[Elektronowolt|MeV]]/[[prędkość światła|c²]])
! Masa<br />konstytuentna<br />M ([[Elektronowolt|GeV]]/c²)
!rowspan="7"|
! Antycząstka
! Symbol
|-
| [[Kwark górny|górny]]
| u
| 1
| +½
| U = +1
| +⅔
| 1,5–4,0<ref name="masy">{{Cytuj pismo |autor = S. Eidelman i inni |tytuł = Review of Particle Physics |czasopismo = Physics Letters B |data = July 15, 2004 |wydanie = 1–4 |wolumin = 592 |strony = 1–5 |doi = 10.1016/j.physletb.2004.06.001}}</ref>
|<math>\simeq</math> 0,31
| antygórny
| <math>\overline{u}</math>
|-
| [[Kwark dolny|dolny]]
| d
| 1
| –½
| D = −1
| –⅓
| 4–8<ref name="masy" />
|<math>\simeq</math> 0,31
| antydolny
| <math>\overline{d}</math>
|-
| [[Kwark dziwny|dziwny]]
| s
| 2
| 0
| S = −1
| –⅓
| 80–130<ref name="masy" />
|<math>\simeq</math> 0,50
| antydziwny
| <math>\overline{s}</math>
|-
| [[Kwark powabny|powabny]]
| c
| 2
| 0
| C = +1
| +⅔
| 1150–1350<ref name="masy" />
|<math>\simeq</math> 1,60
| antypowabny
| <math>\overline{c}</math>
|-
| [[Kwark b|niski, piękny]]{{r|PTF}}
| b
| 3
| 0
| B*&nbsp;=&nbsp;−1
| –⅓
| 4100–4400<ref name="masy" />
|<math>\simeq</math> 4,60
| antyniski
| <math>\overline{b}</math>
|-
| [[Kwark t|wysoki, prawdziwy]]{{r|PTF}}
| t
| 3
| 0
| T = +1
| +⅔
| 170900±1800<ref name="Summary of Top Mass Results – March 2007">{{cytuj stronę |url = http://www-cdf.fnal.gov/physics/new/top/2007/mass/tevcombination/ |tytuł = Summary of Top Mass Results – March 2007 |język = en |data dostępu = 2007-07-04}}</ref>
|<math>\simeq</math> 180
| antywysoki
| <math>\overline{t}</math>
|}
<small>Zapachu B kwarka niskiego ''b'' (aby uniknąć kolizji oznaczeń, w tabeli oznaczono B*) nie należy mylić z [[liczba barionowa|liczbą barionową]] B.</small>

=== Spin ===
Wszystkie kwarki są [[fermiony|fermionami]], co oznacza, że podlegają [[Statystyka Fermiego-Diraca|statystyce Fermiego-Diraca]] i mają [[spin (fizyka)|spin]] połówkowy <math>\left( \frac12 \hbar, \frac32 \hbar, \frac52 \hbar, \dots \right),</math> gdzie <math>\hbar=\frac{h}{2\pi}</math> a ''h'' jest [[Stała Plancka|stałą Plancka]].

=== Zapach ===
Wszystkie kwarki opisywane są przez zestaw charakterystycznych wielkości zwanych [[liczby kwantowe|liczbami kwantowymi]]. Jedną z nich jest [[zapach (mechanika kwantowa)|zapach]]. Mówi się, że dany kwark ma określony zapach, na przykład kwark ''s'' ma cechę zwaną [[Cząstki dziwne|dziwnością]] <math>(S= -1),</math> natomiast kwarki ''c, b'' i ''t'' charakteryzują się odpowiednio liczbami kwantowymi ''C'', ''B'' i ''T''. Są to powab (ang. ''charm''), piękno (''beauty'') i prawda (''truth'').

=== Masa ===
[[Plik:Quark masses as balls.svg|mały|Graficzne porównanie mas 6 kwarków. Dla porównania po lewej przedstawiono proton i elektron (czerwony punkt)]]
W związku z faktem uwięzienia kwarków definicja ich [[masa (fizyka)|masy]] jest obarczona pewną dowolnością. Dla kwarków definiuje się więc dwa rodzaje masy. Pierwsza z nich to tak zwana [[masa konstytuentna]] ''M'', wyznaczona na podstawie faktu, iż masa protonu jest niemal taka sama jak masa neutronu. Zdefiniowano więc masę konstytuentną lekkich kwarków <math>m_u\simeq m_d\simeq \frac{m_N}{3},</math> gdzie jako <math>\frac{m_N}{3}</math> oznaczono jedną trzecią część masy [[Nukleony|nukleonu]] (czyli protonu lub neutronu). Masy konstytuentne są wartościami szacunkowymi, nie można ich wyznaczyć na drodze bezpośrednich pomiarów. Ponieważ w wysokoenergetycznych zderzeniach cząstek zbudowanych z kwarków możliwe jest oddzielenie kwarków od otaczającej je chmury [[gluon]]ów, wprowadzono drugi rodzaj masy. W wysokoenergetycznych oddziaływaniach hadronów należy więc brać pod uwagę tak zwane [[masa bieżąca|masy bieżące]] ''m'' (ang. ''current mass''), nazywane także masami gołymi. Wartości mas bieżących są mniejsze od wartości mas konstytuentnych.

Stosunek masy dwóch najlżejszych kwarków u i d wynosi około 0,56, natomiast stosunek masy kwarka s do masy kwarka d około 20,1.

=== Izospin ===
Inną wielkością charakterystyczną dla kwarków jest [[izospin]] (spin izotopowy) ''I'', wielkość kwantowa wprowadzona już w 1932 roku przez [[Werner Heisenberg|Heisenberga]], który początkowo proponował traktowanie protonu i neutronu jako dwóch stanów, w których występować może jedna cząstka – [[Nukleony|nukleon]]. Z czasem okazało się również, że izospin jest wielkością charakteryzującą kwarki. Formalizm podobny do tego, jaki stosuje się dla spinu przewiduje, iż [[multiplet]] o izospinie ''I'' ma 2''I''&nbsp;+&nbsp;1 składników. Tyle więc wartości przybiera trzecia składowa izospinu, <math>I_3.</math> Zgodnie z zasadą kwantyzacji przestrzennej, liczba wartości trzeciej składowej izospinu <math>I_3</math> odpowiada liczbie ustawień wektora izospinu w przestrzeni. Kwarki ''u'' i ''d'' traktuje się jako dublet izospinowy i przypisuje im izospin <math>I=\frac12,</math> zaś pozostałe kwarki (''s'', ''c'', ''b'' i ''t'') są izospinowymi [[singlet]]ami <math>(I=0).</math>

=== Kolor ===
[[Plik:Hadron colors pl.svg|mały|150px|Cząstki zbudowane z kwarków zawsze mają sumaryczny kolor biały]]
Kwarkom przypisuje się jeszcze jeden [[Stopień swobody (fizyka)|stopień swobody]]: [[ładunek kolorowy|kolor]]. Kolory kwarków nie mają nic wspólnego z pojęciem koloru w sensie optycznym – stanowią rodzaje ładunków związanych z oddziaływaniami silnymi. Kolory nie są na stałe przyporządkowane do pojedynczych kwarków, ponieważ między kwarkami zachodzi wymiana kolorów w oddziaływaniach silnych za pośrednictwem gluonów. Wprowadzenie ładunku kolorowego pozwala zachować [[Reguła Pauliego|zasadę Pauliego]] dla niektórych [[Bariony|barionów]]. Każdy zapach (''u, d, s, c, b, t'') kwarka występuje więc w trzech różnych kolorach. Wyróżnia się zatem następujące kolory: ''r'' (ang. ''red'' – czerwony), ''g'' (ang. ''green'' – zielony) i ''b'' (ang. ''blue'' – niebieski), oraz antykolory dla antykwarków: '''<u style="text-decoration:overline">r</u>''' (antyczerwony), <u style="text-decoration:overline">g</u> (antyzielony) i <u style="text-decoration:overline">b</u> (antyniebieski).

=== Pozostałe właściwości ===
[[Ładunek elektryczny|Ładunki elektryczne]] kwarków są ułamkami [[Ładunek elektryczny elementarny|ładunku elementarnego]] i wynoszą <math>+\frac23e</math> lub <math>-\frac13e.</math> [[Liczba barionowa]] każdego kwarka ''q'' jest równa <math>B=\frac13,</math> a dla antykwarka <math>\overline{q}</math> ma wartość <math>B=-\frac13.</math>

== Antykwarki ==
Ładunki elektryczne oraz [[liczby kwantowe]] ''S, C, B'' i ''T'' antykwarków mają przeciwne znaki. Zebrane właściwości antykwarków przedstawia poniższa tabela.

: {| class="wikitable"
! Nazwa
! Symbol
! Generacja
! Izospin<br />I
! Zapach
! Ładunek<br />e
! Masa bieżąca<br />m (MeV/c²)
! Masa<br />konstytuentna<br />M [GeV/c²]
!rowspan="7"|
! Antycząstka
! Symbol
|-
| antygórny
| <math>\overline{u}</math>
| 1
| −½
| U = −1
| −⅔
| 1,5–4,0<ref name="masy" />
|<math>\simeq</math> 0,31
| górny
| u
|-
| antydolny
| <math>\overline{d}</math>
| 1
| +½
| D = +1
| +⅓
| 4–8<ref name="masy" />
|<math>\simeq</math> 0,31
| dolny
| d
|-
| antydziwny
| <math>\overline{s}</math>
| 2
| 0
| S = +1
| +⅓
| 80–130<ref name="masy" />
|<math>\simeq</math> 0,50
| dziwny
| s
|-
| antypowabny
| <math>\overline{c}</math>
| 2
| 0
| C = −1
| −⅔
| 1150–1350<ref name="masy" />
|<math>\simeq</math> 1,60
| powabny
| c
|-
| antyniski
| <math>\overline{b}</math>
| 3
| 0
| B*&nbsp;=&nbsp;+1
| +⅓
| 4100–4400<ref name="masy" />
|<math>\simeq</math> 4,60
| niski
| b
|-
| antywysoki
| <math>\overline{t}</math>
| 3
| 0
| T = −1
| −⅔
| 170900±1800<ref name="Summary of Top Mass Results – March 2007" />
|<math>\simeq</math> 180
| wysoki
| t
|}

== Układy złożone kwarków ==
Ważną cechą kwarków jest to, że nie istnieją one oddzielnie, lecz tylko w hadronach, czyli układach cząstek:
* złożonych z 3 kwarków – bariony
* złożonych z 3 antykwarków – [[antybariony]]
* złożonych z 2 kwarków – jednego kwarka i jednego antykwarka – [[mezony]].

Własności kwarków zostały wyznaczone na podstawie założenia, że cząstki elementarne mogą składać się z dwu lub trzech takich cząstek. Dowodem poprawności teorii było przewidzenie istnienia cząstki Ω-, składającej się z trzech cząstek dziwnych. W badaniach nad rozpraszaniem cząstek ustalono wewnętrzny rozkład ładunku w protonie oraz potwierdzono istnienie wewnątrz neutronu obszaru ładunku dodatniego i ujemnego, jakkolwiek kwarki mogą poruszać się wewnątrz nukleonu i układ tarczy dla cząstek rozpraszanych w tych eksperymentach mógł być dla kolejnych cząstek z bombardującej wiązki inny. Wynikająca z eksperymentów ciągłość krzywych wewnętrznego rozkładu ładunków jest zapewne tego skutkiem, ewentualnie cząstek wewnątrz tych barionów może być więcej.

Rozważane jest również istnienie tak zwanych [[Hadrony egzotyczne|hadronów egzotycznych]], złożonych z większej ilości kwarków:
* Eksperymenty sugerują istnienie [[pentakwark]]ów, czyli cząstek zbudowanych z pięciu kwarków, a ściślej mówiąc z czterech kwarków i jednego antykwarka. Od roku 2003 przeprowadzono kilka eksperymentów, na podstawie których zasugerowano istnienie pentakwarka, który posiadałby skład kwarkowy <math>uudd \overline{s}</math> i masę około 1540 [[Elektronowolt|MeV]]/[[prędkość światła|c²]].
* W 2013 roku, w japońskim centrum High Energy Accelerator Research, została odkryta cząstka zbudowana prawdopodobnie z czterech kwarków: [[Zc(3900)]].
* Postuluje się również istnienie hadronów zbudowanych z sześciu kwarków, nazwanych [[dibarion]]ami.

== Zobacz też ==
{{wikisłownik|kwark}}
* [[chromodynamika kwantowa]]
* [[model standardowy]]
* [[pole sił kolorowych]]
* [[teoria subkwarków]]

== Uwagi ==
{{Uwagi}}

== Przypisy ==
<references>
<ref name="PTF">Polska nazwa według [[Polskie Towarzystwo Fizyczne|PTF]] – {{cytuj |url = http://web.archive.org/web/20160313093451/http://www.ptf.net.pl/pl/fizyka-fizycy/informacje-o-fizyce-i-fizykach/angielsko-polski-slownik-nowych-terminow-fizycznych/ |tytuł = Angielsko-polski słownik nowych terminów fizycznych |autor = Bernard Jancewicz |data = 2011-02-15 |opublikowany = [[Polskie Towarzystwo Fizyczne]] |data dostępu = 2013-06-25}}</ref>
</references>

== Linki zewnętrzne ==
* [http://www.const.physics.edu.pl/index.php?a=kwarki Właściwości kwarków]

{{Cząstki elementarne}}

{{Kontrola autorytatywna}}

[[Kategoria:Kwarki| ]]
[[Kategoria:Odkrycia nagrodzone Nagrodą Nobla]]