Dīvainais kvarks — definīcija, īpašības un nozīme daļiņu fizikā

Uzzini dīvainā kvarka definīciju, īpašības un nozīmi daļiņu fizikā — masa, lādiņš, spins, “dīvainība” un loma kaonos un hiperonos.

Dīvainie kvarki ir trešie vieglākie kvarki, kas ir subatomāras daļiņas, kuras ir tik mazas, ka, domājams, nav sadalāmas. Tāpat kā pūka kvarkiem, arī dīvainajiem kvarkiem ir -1/3 lādiņš. Tāpat kā visiem fermjoniem (daļiņas, kas nevar eksistēt vienā un tajā pašā laikā vienā un tajā pašā vietā), dīvainajiem kvarkiem ir 1/2 spins. Dīvainie kvarki atšķiras no lejupējiem kvarkiem ne tikai ar to, ka to masa ir 25 reizes lielāka nekā lejupējiem kvarkiem, bet arī ar to, ka tiem piemīt kaut kas, ko zinātnieki sauc par "dīvainību". Dīvainība būtībā ir izturība pret sadalīšanos pret spēcīgo spēku un elektromagnētismu. Tas nozīmē, ka jebkura daļiņa, kas satur dīvaino kvārku, nevar sadalīties spēcīgā spēka (vai elektromagnētisma), bet gan daudz lēnākā vājā spēka ietekmē. Tika uzskatīts, ka tas ir "dīvains" sabrukšanas veids, tāpēc zinātnieki piešķīra daļiņām šādu nosaukumu.

Dīvaini kvarki ir sastopami tādās daļiņās kā kaoni un daži hiperoni. Zinātnieki sāka pamanīt dīvainības, kad šīs daļiņas nesadalījās tik ātri, kā to paredzētu to masa. Tomēr viņiem bija vajadzīgs ilgs laiks, lai vispār nojaustu, ka dīvainība ir atbilde, jo pēc kaonu atklāšanas bija vajadzīgi vairāk nekā 16 gadi, lai to paredzētu.

Īpašības

• Lādējums: dīvainiem kvarkiem ir elektriskais lādiņš -1/3 e (e — elementārā lādiņa modulus).
• Spins: tie ir fermjoni ar spinu 1/2.
• Masa: pastāv dažādi masas jēdzieni. Tā sauktā "strāvas kvarka" (current quark) masa ir salīdzinoši maza (piemēram, m_s ≈ 90–100 MeV/c² MSbar skalā ap 2 GeV), bet "konstitūcijas masa", kas raksturo kvarka ieguldījumu hadrona kopējā masā, var būt dažu simtu MeV.
• Krāsa un mijiedarbības: dīvainajiem kvarkiem ir krāsas lādiņš un tie piedalās spēcīgajā mijiedarbībā (kvantu hromodinamika), kā arī attiecīgi elektromagnētiskajā un vājajā mijiedarbībā.
• Dīvainība (strangeness): kvarka piešķirtais kvantu skaitlis parasti tiek saukts par dīvainību vai “strangeness” (S). Dīvainībai parasti ir vērtība S = -1 (par vienu dīvaino kvarku). Šis kvantu skaitlis tiek saglabāts spēcīgajās un elektromagnētiskajās reakcijās, bet nav konservēts vājajās mijiedarbībās — tas skaidro, kāpēc daudzi hadroni, kuri satur dīvainus kvarkus, dzīvo ilgāk (sadalās ar lēnāku vāju procesu).

Vēsture un nozīmīgākie atklājumi

Kaonu atklāšana 20. gadsimta 40. gados (Rochesteras skolas eksperimenti) atklāja, ka dažas daļiņas tiek ražotas viegli kopā ar citām sadursmēs, bet sadalās daudz lēnāk — tas bija iemesls konceptam par dīvainību. Lai izskaidrotu šos novērojumus, 1950. gados T. D. Lee un C. N. Yang, kā arī K. Nishijima un M. Gell-Mann deva ieguldījumu teorētiskā ietvara attīstībā; savukārt kvarku modelis, kuru neatkarīgi piedāvāja M. Gell-Mann un G. Zweig 1964. gadā, deva skaidrojumu dīvainā kvarka eksistencei kā viena no pamata sastāvdaļām hadroniem.

Loma mūsdienu daļiņu fizikā

• Hadronu struktūra: dīvainie kvarki veido daudzas mezona un bari ona sugas (piemēram, kaoni, hiperoni), kas ir svarīgas spēcīgās mijiedarbības izpētē.
• Flavors un maiņa: vājā mijiedarbība var pārveidot dīvaino kvarku uz citiem kvarku veidiem (piemēram, uz u kvarku) — šīs pārejas apraksta Kobiš–Maskava–Ūbija matricas (CKM) elementi, kuros viens no nozīmīgākajiem ir V_us, kas nosaka s ↔ u pāreju stiprumu.
• CP simetrijas pārkāpums: neitrālo kaonu sistēma (K0–K0bar) ir bijis pamatpierādījums CP simetrijas pārkāpumam, kas ir svarīgi elementārdaļiņu fizikā un kosmoloģijā (mākslīgiem iemesliem, kas saistīti ar vielas un anti‑vielas attiecībām Visumā).
• Ekstremālas vides: dīvainie kvarki var parādīties arī ļoti blīvās sistēmās, piemēram, kodolmateriāla centrālajās daļās vai neitronzvaigžņu kodolos; pastāv hipotēze par "dīvaino kvarku materiālu" (strange quark matter) kā iespēju eksotiskai vielas formai.
• Eksperimentālā nozīme: dīvaino kvarku rašanās, hadronizācija un iznākuma dzīvības ilgumi ir plaši pētīti augstas enerģijas sadursmēs (piem., LHC, pionieru eksperimentos), kas palīdz noteikt elementāro mijiedarbību likumus un parametrus.

Kopsavilkums

Dīvainie kvarki ir viens no pamata kvarku veidiem ar īpašu kvantu skaitli — dīvainību — kas padara to ieguldījumu hadronu uzvedībā un sadalīšanās kanālos atšķirīgu no citiem vieglajiem kvarkiem. Tie ir būtiski gan lai izprastu spēcīgās mijiedarbības spektroskopiju, gan lai pētītu fundamentālas parādības, piemēram, CP pārkāpumu un kvarku mijiedarbību ekstremālās vides. Pētījumi par dīvainajiem kvarkiem joprojām ir aktīva daļiņu fizikas daļa, kas sniedz ieskatu gan elementāro daļiņu uzbūvē, gan Visuma evolūcijā.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir dīvainie kvarki?

J: Ar ko dīvainie kvarki atšķiras no pūka kvarkiem?

J: Kas ir dīvainība?

J: Kādās daļiņās ir sastopami dīvainie kvarki?

J: Kad zinātnieki sāka pamanīt dīvainības?

J: Kāpēc zinātnieki šīm daļiņām deva nosaukumu "dīvainās"?

J: Cik ilgs laiks zinātniekiem bija nepieciešams, lai pēc kaonu atklāšanas prognozētu dīvainību?

Meklēt pēc burta