Kvarkki

Wikipedia

Kvarkki
Rakenne	Alkeishiukkanen
Perhe	Fermioni
Vuorovaikutus	Gravitaatio, Heikko vuorovaikutus, Vahva vuorovaikutus, Sähkömagneettinen vuorovaikutus
Löydetty teoreettisesti	1964, Murray Gell-Mann ja George Zweig
Sähkövaraus	u, c, t: +2/3 e d, s, b: -1/3 e
Värivaraus	punainen, sininen tai vihreä
Spin	1/2

Hiukkasfysiikassa kvarkit ovat alkeishiukkasia, joita pidetään nykyisin jakamattomina. Kvarkit muodostavat hadroneja, joista tutuimmat ovat protoni ja neutroni. Kvarkkeja on kuutta eri lajia.

Kvarkkien olemassaolo postuloitiin ensimmäisen kerran vuonna 1964, kun Murray Gell-Mann ja George Zweig ehdottivat, että hadronit ovat pienempien hiukkasten yhdistelmiä. He kutsuivat näitä hiukkasia kvarkeiksi. ^[1]

Vaikka kvarkit keksittiin alun perin teoreettisista syistä selittämään löydettyjen hadronien ryhmittyminen, on niistä saatu myös kokeellista todistusaineistoa. Kaikki kvarkit on havaittu hiukkaskiihdyttimissä. Huippukvarkki löydettiin viimeisenä 23. huhtikuuta 1994. Protonin sisärakenne voidaan myös nähdä antamalla elektronin sirota siitä.

Kvarkit vuorovaikuttavat vahvan vuorovaikutuksen kautta, jota luonnehtiva varaus on värivaraus. Ydinvoimat, joilla protonit ja neutronit ovat sitoutuneet toisiinsa atomiytimissä, ovat kvarkkeja toisiinsa sitovan värivoiman jäännösvoimia. Erikoista on se, että kvarkkien sähkövaraus ei ole alkeisvarauksen monikerta, vaan se on alkeisvarauksen murto-osa. Kvarkeilla on myös kuusi antikvarkkia, joilla on vastakkainen sähkövaraus kuin kvarkeilla.

Sisällysluettelo 1 Nimet 2 Kvanttiluvut 3 Kvarkkien vankeus 4 Kirjallisuutta 5 Lähteet

[muokkaa] Nimet

Kvarkkien nimet ovat täysin mielikuvituksellisia: ylös (up), alas (down), outo (strange), lumo (charm), pohja (bottom) ja huippu (top). Kahta viimeistä kvarkkia kutsutaan myös nimillä kauneus (beauty) ja totuus (truth). Tarinan mukaan kolme ensimmäisenä löydettyä kvarkkia tunnettiin fyysikoiden keskuudessa alun perin nimillä suklaa, mansikka ja vanilja.^[2]

Hadronit voidaan jakaa baryoneihin ja mesoneihin; baryonien spin on puoliluku, mesonien kokonaisluku. Nykyään erilaisia hadroneja tunnetaan satoja, tosin useimmat niistä eivät ole vakaita.

[muokkaa] Kvanttiluvut

Kvanttiluvut ovat ominaisuuksia, jotka yksilöivät kunkin hiukkasen. Hadroneita luonnehtivista kvanttiluvuista ensimmäisinä tiedettiin spin, isospin ja outous. Näiden mukaan hadronit keksittiin jakaa ensin kahdeksan hiukkasen oktetteihin tai kymmenen hiukkasen dekupletteihin. Havaittiin, että tämä jako selittyy luontevasti, jos oletetaan hadronien koostuvan vielä pienemmistä rakenneosista eli kvarkeista. Baryonin muodostaa kolme kvarkkia ja antibaryonin kolme antikvarkkia. Mesonit ja antimesonit puolestaan koostuvat yhdestä kvarkista ja yhdestä antikvarkista.

Myöhemmin, kun kvarkkeja löytyi lisää, saatiin vielä kolme uutta kvanttilukua: lumo, kaunis ja totuus. Tämän lisäksi kvarkeilla on spin ja baryoniluku. Kaikkien kvarkkien spin on 1/2 ja baryoniluku 1/3. Kvarkin ja antikvarkin kvanttiluvut ovat toistensa vastalukuja.

Koska kvarkkien spin on puoliluku, Paulin kieltosääntö estää kahta identtistä (samat kvanttiluvut omaavaa) kvarkkia olemasta samassa tilassa. Kuitenkin jotkut hadronit sisältävät identtisiä kvarkkeja. Tämän takia oli otettava mukaan vielä yksi kvanttiluku, värivaraus. Nämä värit, joita on kolme kappaletta, eivät liity mitenkään tavallisiin väreihin. Kvarkit voivat muodostaa ainoastaan värittömiä hiukkasia, joiden sähkövaraus on nolla tai alkeisvaraus. (Yli 170MeV:n lämpötilassa, joka vallitsi maailmankaikkeuden alkuhetkillä kvarkit ja gluonit muodostivat kvarkki-gluoniplasmaa, jossa kvarkit ovat vapaita.) Baryoneissa on kaikki eri värit, jolloin ne kumoavat toisensa, mesonissa taas väri ja antiväri. Yksittäisen kvarkin väriä ei voida määrittää, sillä väri vaihtuu koko ajan.

Nimi	Varaus	Arvioitu massa (MeV)	Isospin	Outous	Lumo	Kauneus	Totuus
Ylös (u)	+2/3	1.5...4.51	+1/2	0	0	0	0
Alas (d)	−1/3	5...8.5 1	-1/2	0	0	0	0
Lumo (c)	+2/3	1 000...1 400	0	0	1	0	0
Outo (s)	−1/3	80...155	0	-1	0	0	0
Huippu (t)	+2/3	178 000 ± 4 300	0	0	0	0	1
Pohja (b)	−1/3	4 000...4 500	0	0	0	-1	0

1. Massojen arviot ovat kiistanalaisia. On ehdotettu että u-kvarkki olisi lähes massaton.

[muokkaa] Kvarkkien vankeus

Kvarkkien ei uskota koskaan esiintyvän yksin, vaan aina kahden tai kolmen ryhmissä. Tätä kutsutaan kvarkkien vankeudeksi. Yhdessäkään vuoden 1977 jälkeen suoritetussa kokeessa ei ole havaittu yksittäistä kvarkkia. Jos otetaan vaikkapa mesoni ja yritetään vetää sen sisältämä kvarkki ja antikvarkki erilleen, tehdään hiukkasten väliseen värivoimakenttään lopulta niin paljon työtä, että kentästä voi materialisoitua uusi kvarkki-antikvarkkipari. Näin kahden erillisen kvarkin sijaan käteen onkin jäänyt tyhjästä putkahtanut (tai energiasta materialisoitunut) uusi mesoni.

[muokkaa] Kirjallisuutta

• Gell-Mann, Murray: Kvarkki ja jaguaari: Seikkailuja yksinkertaisessa ja monimutkaisessa. (Alkuteos: The quark and the jaguar, 1994.) Suomentaneet Ritva ja Tapio Tuomi. Helsinki: WSOY, 1996. ISBN 951-0-20464-1.

• Hawking, Stephen W.: Ajan lyhyt historia. (Alkuteos: The Illustrated A Brief History of Time, 1996.) Tarkistettu ja täydennetty, kuvitettu laitos. Suomentanut Risto Varteva. Porvoo Helsinki Juva: WSOY, 2000. ISBN 951-0-19440-9.

[muokkaa] Lähteet

1. ↑ David Griffths: Introduction To Elementary Particles, s. 37. Wiley, 1987. ISBN 0-471-60386-4. (englanniksi)
2. ↑ http://cc.oulu.fi/~ljalonen/Kurssit/Fysiikka%20ja%20kemia/Fysiikka%20ja%20kemia%20-%20luku%209.pdf