Kvarky, spin a klidová hmotnost těchto podivných částic, jaké druhy kvarků dnešní fyzika zná

Kvarky: vlastnosti kvarků, gluony a QCD, CPT symetrie

Kvarky jsou základní stavební kameny hmoty. Kvark (anglicky quark) je považován za elementární částici. U kvarků není totiž známo, že by měly, podobně jako leptony, nějakou další vnitřní strukturu, tedy že by byly tvořeny ještě menšími částicemi.

Existenci kvarků předpověděli v roce 1963 Murray Gell-Mann a Georg Zweig. Avšak vědci k této hypotéze přistupovali s velkou nedůvěrou. Proto není divu, že Murray Gell-Mann byl inspirován k navržení pojmu kvark románem Finnegans Wake od anglického spisovatele Jamese Joyce, ve kterém slovo kvark značilo něco jako "nesmysl".

Všechny kvarky mají poločíselný spin (1/2), řadí se tudíž k fermionům, které se řídí Pauliho vylučovacím principem. K Pauliho vylučovacímu principu však kvarky přistupují po svém, viz níže.

Standardní model předpovídá existenci celkem šesti kvarků. Ty byly skutečně objeveny i experimentálně v rozmezí let 1968 - 1995. Tato šestice známých kvarků se od sebe liší nejen velikostí elektrického náboje, klidovou hmotností, ale i řadou kvantových čísel, na která se blíže podíváme níže.

Jaké kvarky standardní model zná?

V předchozím odstavci jsem uvedl, že standardní model částicové fyziky předpovídá (a zná) celkem šest kvarků. Jsou to kvarky s trochu podivnými názvy a ještě podivnějšími vlastnostmi, kvantovými stavy, jako jsou barva, vůně aj. Přitom třeba barva nemá s barvou jako takovou nic společného. Jedná se o kvantový stav, který nemá v makrosvětě obdoby. Kvarky jsou také jedinou skupinou částic, které podléhají všem čtyřem interakcím: silné, elektromagnetické, slabé i gravitační.

Podívejme se nyní na onu šestici kvarků a na jejich jména. Jsou to kvarky u (up - nahoru), d (down - dolů), c (charm - půvabný), s (strange - podivný), t (top - horní) a b (bottom - spodní). Každý z kvarků má svůj antikvark, které mají opačný elektrický náboj, opačnou vůni a doplňkovou barvu.

Kvarky, stejně jako leptony, se řadí do tří generací. První generaci představují kvarky u (up) a d (down). Druhou generaci kvarků představují s (strange) a c (charm) a konečně třetí generaci představují kvarky b (bottom) a t (top).

Podivné a exotické částice

Na stavbě látky (zářící látky) ve viditelném vesmíru se účastní v podstatě jen dva z uvedených kvarků. Společně s leptony (elektrony). Jsou to kvarky "u" a "d", které se podílejí na stavbě hadronů (částic podléhajících silné interakci), baryonů (nukleonů), mezonů.

Částice proton a neutron (patřící mezi baryony) jsou vždy tvořeny trojicí kvarků u nebo d. Proton je tvořen trojicí uud a neutron trojicí kvarků udd. Přitom v raném vesmíru tvořeném kvark-gluonovým plamatem se vyskytovaly všechny tři generace kvarků v rovnocenném zastoupení.

Zbývající čtyři kvarky (c, s, t, b) se v dnešním vesmíru podílejí na stavbě exotických částic a nebo částic s krátkou dobou života. Druhá generace kvarků se v dnešním chladném vesmíru objevuje v místech vysokoenergetických procesů. Např. v okolí černých děr a nebo neutronových hvězd. A také v sekundárním kosmickém záření, které vzniká interakcí primárního kosmického záření se zemskou atmosférou. Třetí generaci kvarků pozorují vědci pouze na urychlovačích částic, jsou tedy produkovány uměle. Ve vesmíru nebyly nikdy pozorovány.

Do skupiny částic tvořených kvarky c, s, t a b patří např. některé mezony. Tedy částice obsahující kvark a antikvark. Jsou to např. kaon a pion. Podivný kvark "s" obsahují i některé podivné baryony, kterým se ve fyzice částic říká hyperony. Částice ze skupiny baryonů a mezonů obsahující kvarky c, b nebo t se nazývají exotické částice. Struktura jednotlivých tříd částic je uvedena přehledně v níže připojené tabulce:

Vlastnosti kvarků - barva, vůně, podivnost

Vlastnosti jednotlivých kvarků - náboj, spin či klidovou hmotnost přehledně podává níže uvedená tabulka:

Systematika kvarků je velice složitá. Vědci zavedli množství kvantových čísel jako jsou vůně, podivnost a nebo barva. Přitom barva kvarku, přesněji barevný náboj kvarku, je jakýmsi ekvivalentem elektrického náboje u elektromagnetické interakce. A při popisu chování kvarků je zásadní. Barevný náboj kvarků je důležitý k vysvětlení toto, proč mohou existovat vedle sebe dva kvarky, jakožto fermiony řídící se Pauliho vylučovacím principem, ve stejném kvantovém stavu současně.

Pojmenování barva přitom nebylo zvoleno náhodně. Pomocí ní se totiž dají velice jednoduše vysvětlit pravidla, podle kterých se kvarky skládají do hadronů. Povoleny jsou všechny kombinace kvarků, které jsou ve výsledku bílé či bezbarvé, tedy částice s nulovým barevným nábojem.

Každý kvark se můře objevit ve třech barvách - červené (R, red), modré (B, blue) a nebo zelené (G, green). Antikvarky pak v barvách doplňkových. Těmito vazbami se podrobně zabývá kvantová chromodynamika (QCD) využívající aparátu kvantové elektrodynamiky.

Podle této koncepce může kvark libovolně měnit barvu. Každá takováto změna barvy je spojená s emisí gluonu. Podobně jako změna energetického stavu elektronu s emisí fotonu. Narozdíl od této interakce, kde foton je jen polní částicí a nikoliv nositelem (elektrického) náboje, jsou samotné polní částice silné interakce, gluony, nositeli barvy (barevného náboje či chcete-li, náboje silné interakce).

Interakci mezi kvarky zajišťuje silná interakce s polními částicemi zvanými gluony (více v samostatném článku tady). Na závěr povídání věnovaného kvarkům je nutné zmínit, že kvarky se nemohou v dnešním vesmíru vyskytovat samostatně. Když jsou blízko sebe (v měřítku do 10^-15 m), tak se sice chovají jako volné částice, avšak čím více se je budeme snažit od sebe odpoutat, tím větší síla mezi nimi působí. V případě kvarků tak hovoříme o tzv. asymptotické volnosti.

Kvarky d (down, dolů) a u (up, nahoru)

Kvarky u a p byly objeveny v americkém Stanfordu v roce 1968 při bombardování protonů elektrony urychlenými na velice vysoké energie. Detekcí rozptýlených elektronů vědci zjistili, že uvnitř protonu se nacházejí tři hmotná centra a že tudíž nejde o elementární částici. Klidová hmotnost kvarků d a u je poměrně malá, činí 5 MeV a 3 MeV. Tyto kvarky patří do tzv. první generace.

Kvarky s (strange, podivný) a c (charm, půvabný)

Tato druhá generace kvarků s klidovými hmotnostmi 95 MeV a 1,3 GeV byla experimentálně potvrzena v letech 1968 a 1974. Tato generace kvarků (s kvark) se objevuje v částicích sekundárního kosmického záření - např. kaonů, které sehrály významnou roli při zjištění narušení CP symetrie - a c kvark byl detekován během srážek na urychlovači v roce 1974.

Kvarky b (bottom, spodní) a t (top, svrchní)

Existenci kvarku b předpověděli Makoto Kobyashi a Toshidide Maskawa v roce 1973. Tento kvark byl zapotřebí k vysvětlení původu narušení CP symetrie. Oba nakonec právě za vysvětlení původu narušení CP symetrie a předpověď existence třetí generace kvarků obdrželi v roce 2008 Nobelovu cenu za fyziku. Poslední a nejtěžší z kvarků byl objeven v roce 1995 na americké tevatronu.

CPT symetrie

Další ze základních vlastností částic je parita (symetrie), která vyjadřuje symetrii k záměně prostorových souřadnic. Např. x za -x, y za -y a z za -z. Pravotočivý souřadný systém lze zaměnit za systém levotočivý. Této symetrii se říká prostorová parita a označuje se P. Fyzika částic zná rovněž časovou symetrii T, kde čas t lze zaměnit za -t. Třetí ze symetrií je parita elektrického náboje C, kde lze zaměnit -e za +e.

Fyzika považovala za samozřejmé, že se CPT symetrie v přírodě zachovávají. Tedy že se se stejnou pravděpodobností vyskytují "levé" a "pravé", existují částice a antičástice atd. Avšak dnešní poznatky ukazují, že dílčí parity nemusí být vždy zachovány. Pozorovala se jak narušení prostorové symetrie (při beta rozpadu) tak narušení časové symetrie.

Použité zdroje

• Quarks
• The Review of Particle Physics
• Kvarková hypotéza
• Elementární částice
• Kvark