Up kvarki (augšējie kvarki): definīcija, lādiņš, spins un nozīme

Uzzini visu par up kvarkiem: definīcija, +2/3 lādiņš, spins 1/2 un loma protonos, neitronos un subatomu fizikā — skaidri, īsi un saprotami.

Augšējie kvarki ir subatomāras daļiņas, kas ir viens no sešiem kvarku veidiem (aromātiem) un palīdz veidot daudzas lielākas daļiņas, piemēram, protonus. Augšējiem kvarkiem ir elektriskais lādiņš +2/3 (elektromaģnetiskā lādiņa vienība) — šī īpašība ir norādīta arī sākotnējā tekstā kā +2/3 lādiņi. Tāpat kā visiem fermijoniem (daļiņām, kas nav spēka nesējas daļiņas), augšējo kvārku spins ir 1/2. Kvarki ietekmē visi četri fundamentālie spēki — gravitācija, stiprais spēks, vājais spēks un elektromagnētisms — un tie nes krāsu kvantu hromodinamiskajai mijiedarbībai (stiprajam spēkam), tāpēc tie sasaista viens otru, veidojot hadronus.

Pamatīpašības

• Lādiņš: +2/3 e.
• Spins: 1/2 (fermions).
• Pašreizējā masa (current mass): ļoti maza — apmēram dažus MeV/c² (vērtības novērtējamas aptuveni 2–3 MeV/c² pēc starptautiskajiem datiem), taču kvarka konstitucionālā masa hadronā (efektīvā masa, kad kvarks ir saistīts) ir lielāka, aptuveni daži simti MeV.
• Bārona skaitlis: 1/3 (kvarki kopā veido hadronus ar bārona skaitli 1 vai mezona skaitli 0).
• Krāsa: kvarkiem ir trīs "krāsas" (QCD jēdziens) — tie mijiedarbojas ar gluoniem un ir krāsu-konfainēti (nekad netiek novēroti brīvi).
• Antidaļiņa: antiup kvarks (ū̄) ar lādiņu -2/3 e.
• Ģenerācija: pieder pirmajai ģenrācijai kopā ar lejupējo (down) kvarku.

Loma hadronos un redzamajā materijā

Protoni (kuru kopējais lādiņš ir +1) sastāv no diviem augšupējiem kvarkiem (kuru lādiņš ir +2/3) un viena lejupējā kvarka (kuru lādiņš ir -1/3). Neitronus (kuru kopējais lādiņš ir 0) veido viens augšējais kvarks un divi lejējie kvarki. Šo attiecību var uzrakstīt vienkārši kā:

• protons: 2u + 1d
• neitrons: 1u + 2d

Augšējie kvarkus izmanto arī sarežģītāku daļiņu, piemēram, pionu, radīšanai — piemēram, π+ ir sastopams kā u d̄, π0 kā kombinācija u ū un d d̄, un π− kā d ū. Tādejādi kvarku mijiedarbības un pārašanās (kvarks ↔ antikvarks) nodrošina mezonu īpašības, kas savukārt starpkodolu spēkos darbojas kā reziduālais stiprais spēks.

Novērošana un nozīme fizikā

Kvarku pastāvēšana un iekšējā struktūra tika atklāta, pētījot dziļās neelastiskās skalošanas eksperimentus (piemēram, SLAC eksperimentus 1960.—1970. gados). Tieši šajos eksperimentos tika iegūti pierādījumi, ka protonu un neitronu iekšpusē eksistē mazākas, punktveida daļiņas — kvarki. Mūsdienās kvarkus, tai skaitā augšējos, pētī ar augstas enerģijas daļiņu paātrinātājiem un kolideriem.

Īpašas iezīmes un procesa piemēri

• Krāsu konfinēšana: kvarkus nevar atdalīt un novērot kā brīvas daļiņas — tie eksistē tikai saistītās stāvoklēs (hadronos).
• Vāja mijiedarbība un pārejas: kvarku aromāti var mainīties vājā mijiedarbībā (piemēram, b → u), un šo pāreju apraksta CKM matricas elements, kas nosaka pāreju varbūtības starp ģenerācijām.
• Stabilitāte: pirmajā ģenerācijā esošie kvarki (up un down) ir visvieglākie un, nepastāvot vieglākam kvarkam, efektīvi ir "stabili" kopsistēmās; tomēr brīvu kvarku dzīve nav novērota.

Kāpēc up kvarki ir svarīgi

Augšējie kvarki veido pamatu redzamajai materijai — protonu un neitronu kombinācijas veido atomu kodolus, un no tiem sastāv aptuveni visa ikdienā sastopamā viela. Izpratne par up kvarku īpašībām ir būtiska, lai skaidrotu kodolu īpašības, elementārdaļiņu sadursmes procesus, mezonu mijiedarbību un vispārējo Standarta modeļa darbību.

Vēsturisks un eksperimentāls konteksts

Kvarku ideju 1964. gadā neatkarīgi izteica Murray Gell-Mann un George Zweig. Vēlākie eksperimentālie atklājumi apstiprināja kvarku lomu hadronu iekšienē. Mūsdienu precīzos mērījumus par kvarku īpašībām veic, izmantojot gan dziļās neelastiskās skalošanas, gan LHC tipa sadursmes, kā arī precīzus pusneilona un mezonu spektroskopijas pētījumus.

Rezumējot: augšējie kvarki ir viegli, +2/3 lādiņa, spin 1/2 fermioni, kas, kopā ar lejupējiem kvarkiem, veido mūsu ikdienā sastopamos hadronus (protonus, neitronus un mezonus). Tie spēlē centrālu lomu Standarta modelī un redzamās matērijas uzbūvē.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir augšējie kvarki?

J: Kāds ir augšējo kvārku lādiņš?

J: Cik ir kvārku tipu?

J: Kāds ir augšupvērsto kvārku spins?

J: Kādi fundamentālie spēki ietekmē up kvarkus?

J: No kā sastāv protoni?

J: No kādām daļiņām var izveidot augšējos kvarkus?

Meklēt pēc burta