Kvark
Wikipedia
Denna artikel handlar om partikeln kvark. För övriga betydelser av ordet kvark, se kvark (olika betydelser).
En kvark är inom kvantfysiken en elementarpartikel som tillsammans med en eller flera andra kvarkar bygger upp den grupp partiklar som kallas hadroner. Så vitt man vet idag är kvarkarna, tillsammans med leptonerna materiens minsta byggstenar.
Idén om kvarkar presenterades av Murray Gell-Mann och Georg Zweig oberoende av varandra 1964. Det var helt enkelt ett sätt att få ordning bland alla de olika partiklar som då hade upptäckts.
Man har senare genom experiment påvisat att kvarkarna verkligen existerar. Detta gjordes av Richard E. Taylor, Henry W. Kendall och Jerome I. Friedman som då arbetade vid Stanford Linear Accelerator Center i Kalifornien. För detta fick de 1990 års Nobelpris i fysik.
Gell-Manns och Zweigs ursprungliga förslag innehöll tre olika kvarkar: upp (up, u), ner (down, d) och sär (strange, s) vilket räckte för att förklara alla de partiklar som då var kända. Senare har även charm (Charm, c), botten (bottom (även beauty), b) och topp (top (även truth), t) tillkommit.
Namnet kvark är taget från nonsensdikten Finnegans Wake av James Joyce som innehåller frasen "three quarks for Muster Mark".
[redigera] Tabell över kvarkarna
De sex kvarkarna delas upp i tre olika familjer, med två medlemmar i varje familj:
| Familj | Namn | Laddning | Särtal | Charmtal | Bottental | Topptal | Isospin | Massa 1 (MeV) | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Upp | (u) | +2/3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1/2 | 1,5 till 4,5 |
| Ner | (d) | −1/3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1/2 | 5 till 8,5 | |
| 2 | Sär |
(s) | −1/3 | -1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 80 till 155 |
| Charm |
(c) | +2/3 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 000 till 1 400 | |
| 3 | Botten |
(b) | −1/3 | 0 | 0 | -1 | 0 | 0 | 4 000 till 4 500 |
| Topp |
(t) | +2/3 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 174 300 ± 5 100 | |
1. Det råder stor osäkerhet kring kvarkarnas massor, och ett antal olika uppskattningar råder i olika forskarläger. Det har till och med föreslagits att upp-kvarken kanske saknar massa helt, men detta har nyligen i stort sett visats felaktigt.
Dessutom har alla kvarkar baryontalet 1/3.
Varje kvark har dessutom en anti-kvark, anti-upp, anti-ner, o.s.v. Dessa har motsatta kvanttal (inklusive baryontalet), men samma massa som den "vanliga" kvarken.
Hadronerna delas in i två grupper, baryoner som består av tre kvarkar eller 3 anti-kvarkar (och därför har baryontal 1 eller -1), och mesoner som består av en kvark och en anti-kvark (och därför har baryontal 0). Tidigare har man trott att inga andra varianter funnits, men på sista tiden har man börjat observera en ny sorts partiklar som verkar bestå av fem kvarkar. Dessa har man gett namnet pentakvarkar. Det är dock fortfarande oklart om dessa verkligen har observerats eller inte.
De två vanligaste hadronerna protonen, och neutronen bildas genom kombination av de två lättaste kvarkarna (u och d) på följande sätt:
- proton = (u,u,d)
- neutron = (u,d,d)
Hur kvarkar sätts samman till hadroner beskrivs av kvantkromodynamiken, (Quantum Chromo Dynamics) QCD. Kvarkar beskrivs, liksom leptonerna, av kvantegenskaperna laddning och spinn. Enligt QCD tillkommer för kvarkarna ytterligare en kvantegenskap, färgladdning (eng. colour charge), som kan ha värdena "grön", "röd", och "blå" (och motsvarande "anti-värden": "anti-grön", "anti-röd", och "anti-blå"). Det kan aldrig bildas partiklar som utåt har någon färgladdning som inte är "vit", d.v.s. den färgladdning som fås om man kombinerar tre kvarkar, en av varje färg (baryoner), eller två kvarkar, en med en av färgerna och en med motvarande anti-färg (mesoner).
Kvarkar med olika färgladdning attraherar varandra, och kvarkar med samma färg stöter bort varandra genom den starka kärnkraften, en av de fyra grundläggande krafterna i naturen. Detta sker genom utväxling av gluoner mellan kvarkarna. Gluonerna har själva kombinationer av färgladdning vilket gör att kvarkar kan byta färgladdning när gluoner utväxlas. Utbytet av gluoner är enligt QCD förklaringen till den starka kärnkraften och beskriver varför atomkärnornas neutroner och protoner hålls samman trots att protonerna har samma laddning.
Den starka kraften har egenskapen att den blir starkare ju större avståndet är mellan kvarkarna, vilket förklarar varför man inte kan hitta fria kvarkar. Om man använder tillräckligt stora krafter för att dra isär kvarkar från varandra, till exempel i partikelacceleratorer uppstår nya kvarkar och antikvarkar ur vakuumet för att bilda nya partiklar tillsammans med de ursprungliga kvarkarna.
