Šarmkvarks (c kvarks) — definīcija, īpašības un nozīme fizikā
Šarmkvarks (c kvarks) — definīcija, īpašības un loma fizikā: atklājums, masa, lādiņi, spins, J/ψ un D mezoni, kā arī šarmu kvarku nozīme daļiņu fizikā.
Šarmkvarki jeb c kvarki ir trešais masīvākais no sešiem kvarkiem. Tiek uzskatīts, ka tie, tāpat kā visi kvarki, ir tik mazi, ka tos nevar sadalīt. (Šī iemesla dēļ tos sauc par elementārdaļiņām.) Līdzīgi kā augšējiem kvarkiem, šarmu kvarkiem ir +2/3 lādiņi. Lai gan šarmu kvarki nav īpaši izplatīti, tos var atrast daļiņās, ko rada daļiņu paātrinātāji (kas sadala atomus kopā ārkārtīgi lielā ātrumā), piemēram, J/ψ mezonos, D mezonos un citās šarmveida daļiņās. Tā kā tie ir fermioni (daļiņas, kurās vienlaicīgi vienā un tajā pašā vietā var atrasties tikai viena šāda daļiņa), šarma kvarkiem ir 1/2 spins.
Pamatiezīmes un īpašības
- Masa: šarmkvarka masas vērtība ir salīdzinoši liela starp vieglajiem kvarkiem — aptuveni 1.2–1.4 GeV/c² (tipskaitlis atkarīgs no masas definīcijas un renormalizācijas shēmas; bieži min ~1.27 GeV/c²).
- Elektriskais lādiņš: +2/3 e, tāpat kā augšējam (up) kvarkam.
- Spin: 1/2 — pieder fermionu klasai.
- Šarma kvantskaitlis: šarms (charm) C = +1 pie c kvarka un C = −1 pie anti‑c kvarka; tas tiek saglabāts spēcīgo mijiedarbību procesos, bet mainās vājo mijiedarbību procesā.
- Krāsas lādiņš: kā visiem kvarkiem, arī šarmkvarkam ir kvarku "krāsa" (strong interaction color charge) un tas piedalās kvarku un gluonu mijiedarbībā, kuru apraksta kvantu hromodinamika (QCD).
- Konfinācija: šarmkvarki nekad netiek novēroti brīvi — tie vienmēr ir saistīti hadronos (mesonos vai barjonos), piemēram, D mesoni (satur vienu šarmu vai antišarmu) vai šarmoniā (charmonium) stāvokļos, piemēram, J/ψ (satur c un anti‑c).
Atklāšana un vēsturiskā nozīme
1974. gadā neatkarīgi tika atklāts J/ψ mezons — šis atklājums, kas reizē apstiprināja šarmkvarka pastāvēšanu, izraisīja tā saukto «novembra revolūciju» daļiņu fizikā. Šī atklāšana sniedza spēcīgu atbalstu kvarku modeļa paplašināšanai un Standardās modeles attīstībai. Pirms šī atklājuma teorētiski pastāvēja nepieciešamība pēc šarma kvarka, lai izskaidrotu novērstu mākslīgi lielu mainītās garozas neutrālo pašsakritību (GIM mehānisms — Glashow, Iliopoulos, Maiani).
Šarma hadroni un to loma eksperimentālajā fizikā
- Slēgtā šarma (hidden charm): stāvokļi, kuros ir gan c, gan anti‑c kvarks — piemēram, J/ψ, ψ' u.c. Šos stāvokļus bieži meklē, jo tie skaidri parādās kā šaura rezonanse masas spektrā un bieži norisinās leptonu pāru (e⁺e⁻ vai μ⁺μ⁻) decajos, kas ir viegli detektējami.
- Atklātā šarma (open charm): hadroni ar vienu šarmu vai anti‑šarmu, piemēram, D⁰, D⁺ mezoni un Λc⁺ barjons. Šādu daļiņu masas un dzīves ilgums (parasti 10⁻¹³–10⁻¹² s) un to deformācijas ceļi sniedz svarīgu informāciju par vāju mijiedarbību, CKM matricas elementiem (piem., V_cs, V_cd) un hadronu struktūru.
- Spektroskopija: šarmu sistēmas ir labs lauks kvantu hromodinamikas (QCD) testiem: gan perturbatīvās QCD reģionos (augstas masas ekscitācijas), gan nemazgatojamajās reģionos, kur lieto lāča (lattice) QCD aprēķinus.
Ražošana, novērošana un pētniecība
Šarmkvarkus ģenerē arādos sadursmēs augstas enerģijas paātrinātājos, gluona sadursmēs smagos jonos vai kvarku pāru radīšanās procesos. J/ψ rezonansi var novērot pie elektron‑pozitronu sadursmēm, kur tā parādās kā šaura maksimuma līkne masas spektrā; D mezonus un c‑barjonus bieži identificē pēc to novirzītām sabrukšanās vietām (displaced vertices) detektoru pēdās. Pētniecībā izmanto arī B‑mezonu sabrukumus, smago jonisko sadursmju vidusiskus apstākļus un lāča QCD datu salīdzināšanai ar eksperimentāli iegūtiem rezultātiem.
Nozīme Standarta modelī un tālākie pētījumi
Šarmkvarks ir svarīga Standardā modeļa sastāvdaļa. Tā īpašības un sabrukumu ceļi palīdz noteikt CKM matricas elementus un meklēt jaunas fizikas norises (piem., CP simetrijas pārkāpumus, reti deci procesus, kas var norādīt uz jaunām daļiņām vai mijiedarbībām). Turpmākie pētījumi šarmu fizikā ietver precīzus dzīves ilgumu, sabrukumu formu faktoru un spektru mērījumus, kā arī salīdzinājumus ar lāča QCD aprēķiniem.
Kopsavilkums: šarmkvarks (c) ir pamatelementārdaļiņa ar lādiņu +2/3 un spin 1/2. Lai gan brīvā veidā to neizdodas novērot, tas veido dažādus hadronus (piem., J/ψ, D mezoni, Λc⁺), kuru pētījumi ir būtiski gan teorētiskai kvarku modela pārbaudei, gan praktiskiem eksperimentiem, kas mēra spēcīgās un vājās mijiedarbības īpašības.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir burvju kvarki?
A: Šarmkvarki ir viens no sešiem kvarku veidiem, kas tiek uzskatīti par elementārdaļiņām un nav sadalāmi. To lādiņš ir +2/3 un spins 1/2.
J: Kāda ir šarma kvarkaru masa?
A: Šarmkvarki ir trešais masīvākais no sešiem kvarkiem.
J: Kur var atrast šarmu kvarkus?
A: Šarmkvarki ir sastopami daļiņās, ko rada daļiņu paātrinātāji, piemēram, J/ψ mezonos, D mezonos un citās šarmētajās daļiņās.
J: Vai dabā ir izplatīti šarmu kvarki?
A.: Šarmkvarki nav ļoti bieži sastopami.
J: Kāda ir šarmu kvārku un J/ψ mezonu atklāšanas nozīme?
A: Šarmkvarku un J/ψ mezonu atklāšana izraisīja strauju zinātnisko atklājumu virkni, ko dēvē par novembra revolūciju.
J: Kāds ir šarmu kvārku lādiņš?
A: Šarmkvarku lādiņš ir +2/3, kas ir līdzīgs augšējo kvarku lādiņam.
J: Kāda veida daļiņas ir šarmu kvarki?
A: Šarm kvarki ir fermioni, t.i., daļiņas, kurās vienlaikus vienā vietā nevar būt vairāk par vienu šādu daļiņu.
Meklēt