Κουάρκ – Ορισμός, Τύποι, Μοντέλο, Παραδείγματα

Ενώ ασχολούμαστε με την πυρηνική φυσική, είναι σύνηθες να συναντάμε ύλη που περιλαμβάνει σωματίδια όπως νετρόνια, πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Αυτά τα σωματίδια αποτελούνται από υποατομικά σωματίδια γνωστά ως κουάρκ.

Αναρωτιέστε τι σημαίνει κουάρκ ή ορισμός κουάρκ; Διαβάστε παρακάτω. Υπάρχουν δύο τύποι σταθερών σωματιδίων που υπάρχουν μέσα στον πυρήνα ενός ατόμου. Αυτά είναι νετρόνια και πρωτόνια. Τα θεμελιώδη σωματίδια που αποτελούν τα πρωτόνια είναι τα κουάρκ, τα οποία είναι στοιχειώδη σωματίδια που είναι ασταθή σε ανεξάρτητες καταστάσεις. Επομένως, τα κουάρκ δεν βρίσκονται ποτέ σε απομονωμένη μορφή. Αρκετοί τύποι κουάρκ συνδυάζονται για να σχηματίσουν σταθερά αδρόνια. Άλλα στοιχειώδη σωματίδια όπως μεσόνια και βαρυόνια βρίσκονται μέσα στον πυρήνα στο πλάσμα κουάρκ-γλουονίων.

Μπορούμε πάντα να βρούμε τα κουάρκ σε ζεύγη με τα αντισωματίδια τους που ονομάζονται αντικουάρκ. Ο συνδυασμός τους ονομάζεται σκληρόνια, τα οποία συνδυάζονται για να δώσουν άλλους τύπους υποατομικών σωματιδίων όπως βαρυόνια και μεσόνια. Προς το παρόν, τα κουάρκ θεωρούνται στοιχειώδη σωματίδια που δεν μπορούν να διασπαστούν περαιτέρω σε άλλα μικρότερα σωματίδια καθώς δεν έχουν δομή. Τα κουάρκ είναι τα μόνα θεμελιώδη στοιχειώδη σωματίδια που υπάρχουν στη φύση στη σωματιδιακή φυσική.

Τι είναι ένα Κουάρκ;

Τα πάντα στο σύμπαν έχουν ως θεμελιώδη δομικά στοιχεία δώδεκα θεμελιώδη σωματίδια - έξι κουάρκ και λεπτόνια. Το κουάρκ και το λεπτόνιο ταξινομούνται ανάλογα με τις γεύσεις τους.

Σημασία Κουάρκ/Ορισμός Κουάρκ:Η έννοια του Κουάρκ στη φυσική είναι ένα βασικό συστατικό της ύλης που περιγράφεται ως στοιχειώδες σωματίδιο. Συνδυάζονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν σύνθετα σωματίδια γνωστά ως αδρόνια. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι τα πιο σταθερά αδρόνια. Ένα κουάρκ μπορεί να οριστεί ως μια μορφή στοιχειώδους σωματιδίου και βασικό συστατικό όλης της ύλης.

Παραδείγματα Κουάρκ

Τα πρωτόνια αποτελούνται από ένα κουάρκ κάτω και δύο κουάρκ επάνω, ενώ τα νετρόνια αποτελούνται από ένα κουάρκ επάνω και δύο κουάρκ κάτω.

Υπάρχουν διάφοροι τύποι κουάρκ, όλα από τα οποία έχουν αντισωματίδια που αντιστοιχούν σε αυτά. Τα αντικουάρκ παρουσιάζουν την ίδια μέση διάρκεια ζωής, μάζα και σπιν με τα αντίστοιχα κουάρκ τους. Ωστόσο, ορισμένες άλλες ιδιότητες, όπως τα ηλεκτρικά φορτία, είναι αντίθετες σε σχέση με το πρόσημο.

Ιστορία των Κουάρκ

Το μοντέλο του κουάρκ στη φυσική εμφανίστηκε το 1963 με τη βοήθεια δύο φυσικών από τις Ηνωμένες Πολιτείες που ονομάζονταν George Zweig και Murray Gell-Mann. Ο George Zweig ονόμασε αυτά τα σωματίδια «άσους». Το μοντέλο του Gell-Mann αποκάλυψε ότι τα κουάρκ και τα αντίστοιχα αντικουάρκ τους είναι τα συστατικά όλων των μεσονίων, ενώ τρία κουάρκ σχηματίζουν ένα βαρυόνιο. Αυτό το μοντέλο πρότεινε ότι τα κουάρκ είναι έξι τύπων και υπάρχουν σε τρία ζεύγη. Το Flavor είναι ένα άλλο όνομα που δίνεται στον τύπο των κουάρκ.

Τύποι Κουάρκ

Τύποι κουάρκ: Τα κουάρκ είναι έξι τύπων ή γεύσεων, και συγκεκριμένα:

• Πάνω 
• Κάτω
• Κορυφή
• Κάτω
• Παράξενο
• Γούρι

Up Quark

Αυτά είναι τα ελαφρύτερα από όλα τα κουάρκ. Λόγω της μικρότερης μάζας, είναι τα πιο σταθερά κουάρκ. Συμβολίζονται με το σύμβολο u και το u αντιπροσωπεύει το αντισωματίδιο τους. Τα επάνω κουάρκ έχουν μάζα που κυμαίνεται από 1,6 – 3 MeV/c². Το ηλεκτρικό φορτίο των up quarks είναι + ⅔ e.

Down Quark

Αυτά έρχονται δίπλα στα κουάρκ από άποψη μάζας και έχουν αρκετά υψηλή σταθερότητα. Το σύμβολο d τα αντιπροσωπεύει και η μάζα τους κυμαίνεται από 4 – 5,6 MeV/c². Το ηλεκτρικό φορτίο των down κουάρκ είναι ίσο με – ⅓ e.

Παράξενο Κουάρκ

Αυτά είναι τα τρίτα ελαφρύτερα κουάρκ μετά τα up κουάρκ και τα κάτω κουάρκ. Αντιπροσωπεύονται με το σύμβολο s, ενώ τα αντικουάρκ τους με το σύμβολο S. Το ηλεκτρικό φορτίο των περίεργων κουάρκ είναι ίσο με – ⅓ e.

Charm Quark

Ένα παράδειγμα αυτού του τύπου κουάρκ στη φυσική είναι ένα μεσόνιο που ονομάζεται σωματίδιο J/Psi. Το σύμβολο που αντιπροσωπεύει το κουάρκ γοητείας είναι c, ενώ το αντισωματίδιο του αντιπροσωπεύεται από το σύμβολο C. Το ηλεκτρικό τους φορτίο είναι ίσο με + ⅔ e.

Κορυφαίο Κουάρκ

Αυτό το κουάρκ αντιπροσωπεύεται από το σύμβολο t, ενώ το σύμβολο για το αντισωματίδιο του είναι το T. Η μάζα αυτού του τύπου κουάρκ κυμαίνεται μεταξύ 172,8 – 1,5 GeV/c². Το ηλεκτρικό φορτίο του κορυφαίου κουάρκ είναι ίσο με + ⅔ e.

Κουάρκ βυθού

Το σύμβολο που αντιπροσωπεύει το κάτω κουάρκ είναι b, ενώ το αντισωματίδιο του αντιπροσωπεύεται από το σύμβολο B. Η μάζα του είναι περίπου ίση με 4,1 GeV/c². Το ηλεκτρικό φορτίο του κάτω κουάρκ είναι – ⅓ e.

Ιδιότητες των Κουάρκ

Ηλεκτρική φόρτιση:

Είναι περίεργο να γνωρίζουμε ότι το ηλεκτρικό φορτίο των κουάρκ δεν είναι ακέραιος. Το ηλεκτρικό φορτίο στο κουάρκ γοητείας, επάνω κουάρκ και άνω κουάρκ ισούται με + ⅔ e, ενώ αυτό στο περίεργο κουάρκ, κάτω κουάρκ και κουάρκ κάτω ισούται με – ⅓ e. Επομένως, το ηλεκτρικό φορτίο στο κουάρκ γοητείας, στο επάνω κουάρκ και στο άνω κουάρκ είναι ένα θετικό κλασματικό φορτίο, ενώ το φορτίο ενός παράξενου κουάρκ, του κάτω κουάρκ και του κάτω κουάρκ είναι αρνητικό κλασματικό φορτίο. Εδώ, το e υποδηλώνει την ποσότητα φορτίου που φέρει ένα ηλεκτρόνιο χωρίς το πρόσημο. Καθώς όλοι οι τύποι κουάρκ έχουν αντίστοιχα αντικουάρκ, τα ηλεκτρικά τους φορτία είναι αντίθετα σε πρόσημο από αυτά των αντικουάρκ τους. Αυτό δείχνει ότι το up κουάρκ συνυπάρχει με το up antiquark του και φέρει ηλεκτρικό φορτίο ίσο με – ⅔ e.

Σύμφωνα με τον ορισμό των κουάρκ, τα πρωτόνια και τα νετρόνια μέσα στον πυρήνα ενός ατόμου αποτελούνται από κουάρκ. Ενώ ένα πρωτόνιο περιλαμβάνει ένα κουάρκ κάτω και δύο κουάρκ επάνω, ένα νετρόνιο περιλαμβάνει δύο κουάρκ κάτω και ένα κουάρκ επάνω. Με αυτόν τον τρόπο, ένα πρωτόνιο φέρει φορτίο +1e και ένα νετρόνιο φορτίο ίσο με 0 e.

Μέγεθος:

Τα κουάρκ έχουν αμελητέο φορτίο και μπορούν να φανούν ή να μετρηθούν. Αυτές θεωρούνται σημειακές δομές στην κβαντική χρωμοδυναμική, που ποικίλλουν σε μέγεθος από 10 έως 19 μέτρα. Το μέγεθός τους ανακαλύφθηκε στο Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) σε πειράματα βαθιάς ελαστικής σκέδασης το 1968.

Μάζα:

Τα κουάρκ έχουν ποικίλη μάζα που εξαρτάται από τη μάζα του ρευστού που τα περιβάλλει, που αποτελείται από γκλουόνια. Ένα μεγάλο μέρος της μάζας αδρονίων που αποτελείται από αυτά τα κουάρκ προέρχεται από τα γκλουόνια που τα κρατούν μαζί και όχι από τη δική τους μάζα.

Οι μάζες των διαφορετικών κουάρκ είναι διαφορετικές, με το κορυφαίο κουάρκ να έχει τη μεγαλύτερη μάζα ενώ το επάνω κουάρκ τη χαμηλότερη μάζα. Το βάρος του άνω κουάρκ είναι περίπου 2-8 MeV/c², ενώ του κορυφαίου κουάρκ είναι περίπου 170-180 * 103 MeV/c². Η μάζα ενός κουάρκ εκφράζεται σε μονάδες MeV/c², όπου το MeV σημαίνει mega-ηλεκτρόνια βολτ και αντιπροσωπεύει την ενέργεια των κουάρκ και το c αντιπροσωπεύει την ταχύτητα του φωτός στο κενό.

Φόρτιση χρώματος:

Υπάρχουν τρεις τύποι χρωμάτων κουάρκ στην κβαντική χρωμοδυναμική—μπλε, πράσινο και κόκκινο. Αυτή η ιδιότητα των κουάρκ ονομάζεται φορτίο χρώματος. Τα αντικουάρκ έχουν το ίδιο χρώμα με τα κουάρκ τους, αλλά αντιπροσωπεύονται ως αντι-μπλε, αντι-πράσινο και αντι-κόκκινο. Τα γλουόνια έχουν επίσης δύο χρωματικά φορτία που αντιστοιχούν σε μπλε, κόκκινο, πράσινο και αντι-μπλε, αντι-κόκκινο και αντι-πράσινο. Είναι υποχρεωτικό να εμφανίζονται και τα τρία χρώματα των κουάρκ σε ένα πρωτόνιο.

Περιστροφή:

Κάθε σωματίδιο στον κόσμο εμφανίζει μια συγκεκριμένη ιδιότητα που δεν μπορεί να διαχωριστεί από αυτό. Αυτές ονομάζονται εγγενείς ιδιότητές τους, όπως φορτίο, μάζα ή γωνιακή ορμή. Η γωνιακή ορμή είναι μια εγγενής ιδιότητα ενός στοιχειώδους σωματιδίου που ονομάζεται σπιν.

Αδύναμη αλληλεπίδραση:

Όπως έχουμε ήδη συζητήσει, μόνο δύο τύποι κουάρκ - τα κουάρκ κάτω και τα κουάρκ επάνω είναι σταθερά. Οι άλλοι τέσσερις τύποι κουάρκ είναι ασταθείς:κουάρκ γοητείας, κορυφαίο κουάρκ, περίεργο κουάρκ και κουάρκ κάτω. Αυτό συμβαίνει επειδή οι διαδραστικές δυνάμεις σε αυτά τα τέσσερα κουάρκ είναι τόσο αδύναμες που δεν παραμένουν ισχυρές για αρκετό καιρό ώστε να μετατραπούν στις σταθερές μορφές των κουάρκ - κουάρκ κάτω και πάνω κουάρκ. Η διαδικασία μετατροπής των τύπων κουάρκ από την ασταθή σε σταθερή μορφή ονομάζεται διαδικασία διάσπασης σωματιδίων.

Συμπέρασμα

Τα πάντα για τα κουάρκ και τις γεύσεις τους έχουν συζητηθεί σε αυτό το άρθρο. Έχουμε επίσης εξηγήσει λεπτομερώς τα χαρακτηριστικά των κουάρκ. Τα κουάρκ είναι τα πιο θεμελιώδη συστατικά της ύλης στο σύμπαν που δεν μπορούν να αναλυθούν περαιτέρω. Επομένως, είναι σημαντικό να έχετε μια βασική κατανόησή τους.

Συχνές ερωτήσεις

Ε) Τι είναι το αδρόνιο;

Α) Το αδρόνιο μπορεί να οριστεί ως ένα υποατομικό σωματίδιο που αποτελείται από γκλουόνια, κουάρκ και τα αντίστοιχα αντικουάρκ τους. Με άλλα λόγια, τα αδρόνια είναι ένας συνδυασμός κουάρκ που συνδέονται μεταξύ τους με γκλουόνια και έχουν τα αντίστοιχα αντικουάρκ τους.

Ε) Μπορούν τα κουάρκ να υπάρχουν ανεξάρτητα;

Τα κουάρκ δεν μπορούν να υπάρχουν μεμονωμένα αλλά ως συστατικό μιας συγκεκριμένης ύλης. Ένα εννοιολογικό πλαίσιο αποτελεί τη βάση του τυπικού θεωρητικού του μοντέλου. Ορίζει όλα τα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια. Ορίζει επίσης απαρατήρητα σωματίδια.

Ε) Από τι εξαρτάται το σπιν ενός πρωτονίου;

Τα πρωτόνια αποτελούνται από τρία κουάρκ - ένα κάτω κουάρκ και δύο επάνω κουάρκ. Όλα αυτά συνδέονται μεταξύ τους με τη βοήθεια γκλουονίων. Τα γλουόνια είναι σωματίδια χωρίς μάζα φορτισμένα με χρώμα. Ακριβώς όπως τα κουάρκ, τα γκλουόνια έχουν επίσης την ιδιότητα του spin. Το σπιν του πρωτονίου είναι ένας συνδυασμός του σπιν των κουάρκ και των γκλουονίων μέσα σε αυτό, αλλά η συμβολή τους στο σπιν του πρωτονίου είναι μόνο περίπου 30%.