Kvark navzgor – definicija, lastnosti, naboj in vloga v protonih

Kvarki navzgor so subatomski delci, ki pomagajo sestaviti veliko večjih delcev, kot so protoni. Zgornji kvarki imajo naboj +2/3 in so najlažji od šestih vrst (okusov) kvarkov. Tako kot vsi fermioni (delci, ki ne prenašajo sil) imajo kvarki up spin 1/2. Nanje vplivajo vse štiri temeljne sile, in sicer gravitacija, močna sila, šibka sila in elektromagnetizem. Tako kot vsi kvarki so tudi kvarki up elementarni delci, kar pomeni, da so tako majhni, da jih po mnenju znanstvenikov ni mogoče več razdeliti.

Protone (ki imajo skupni naboj +1) sestavljata dva kvarka gor (ki imata naboj +2/3) in en kvark dol (ki ima naboj -1/3). Nevtroni (ki imajo skupni naboj 0) so sestavljeni iz enega kvarka navzgor in dveh kvarkov navzdol. Zgornji kvarki se lahko uporabijo tudi za tvorbo kompleksnejših delcev, kot so pioni.

Lastnosti kvarka navzgor

Električni naboj: +2/3 e (kjer je e elementarni naboj).

Spin: 1/2 — to pomeni, da je fermion.

Generacija in okus: Kvark navzgor je del prve generacije kvarkov in parjen z kvarkom navzdol v isospinskem dvojnem stanju.

Masa: Trenutna (»current«) masa zgornjega kvarka je zelo majhna, reda velikosti nekaj MeV/c² — pogosto navajana vrednost je približno 2,2 MeV/c². Vendar pa masa hadronov, ki jih sestavljajo kvarki (npr. proton), večinoma izvira iz kinetične energije in energijskega vezanja kvarkov in gluonov; v modelu konstituentnih kvarkov se zgornjemu kvarku pripisuje učinkovana masa reda nekaj sto MeV/c² (približno 300–350 MeV/c²).

Barvni naboj: Kvarki nosijo barvni naboj (tri »barve«), zato jih veže močna sila, ki jo prenašajo gluoni. Posledica tega sta konfinement (kvarkov sami ne opazimo izolirano) in asymptotična svoboda (pri visokih energijah se kvarki med seboj obnašajo skoraj prosti).

Vloga v protonih, nevtronih in drugih hadronih

V najpreprostejših sestavah hadronov kvarki navzgor igrajo ključno vlogo:

• Proton = dva kvarka navzgor + en kvark navzdol → skupni naboj +1.
• Nevtron = en kvark navzgor + dva kvarka navzdol → skupni naboj 0.

Poleg »valenčnih« kvarkov (tistih, ki določajo osnovne kvantnoštevilčne lastnosti) v hadronih vedno obstaja tudi morje virtualnih kvark‑antiquark parov in gluonov (t. i. sea quarks in gluoni), ki pomembno prispevajo k dinamiki in masi hadronov. Zato masa protona ni preprosto seštevek mas posameznih kvarkov — večino mase prispeva energija močne sile in gibanje delcev znotraj hadrona.

Interakcije in razpadni procesi

Kvark navzgor sodeluje v vseh štirih temeljnih interakcijah, vendar so v praksi pomembne predvsem:

• Močna sila: najmočnejša za kvarke, posredujejo jo gluoni; povzroča barvni konfinement.
• Elektromagnetizem: ker ima kvark naboj +2/3 e, se obnaša v polju fotonov.
• Šibka sila: omogoča spreminjanje okusa kvarkov — npr. v procesu β‑razpada se kvark navzdol lahko spremeni v kvark navzgor z emisijo W‑bozona (v okviru nevtronskega razpada pa se pravzaprav en kvark navzdol spremeni v kvark navzgor, kar spremeni nevtron v proton).

Izolatni kvarki niso opaženi zaradi konfinementa; njihove lastnosti določamo posredno z eksperimenti, kot je globoko neelastično sipanje (deep inelastic scattering) in poskusi na pospeševalnikih.

Antikvark in opazovanje

Antikvark navzgor (oznaka ū) ima nasproten električni naboj -2/3 e. Kvarki in antikvarki lahko tvorijo mezon (kvark + antikvark), npr. pion je primer takšne kombinacije. Kvark navzgor je bil predlagan v kvarkovskem modelu, ki sta ga leta 1964 neodvisno uvedla Murray Gell‑Mann in George Zweig, in je danes temeljni gradnik sodobne teorije močne interakcije, kvantne kromodinamike (QCD).

Povzetek

Kvark navzgor je lahki, elementarni fermion s spinom 1/2 in električnim nabojem +2/3 e. Je ena izmed dveh osnovnih sestavin protona in nevtrona ter ključni delec v opisovanju strukture snovi na subatomski ravni. Čeprav je njegova »trenutna« masa zelo majhna, je večina mase hadronov posledica močne interakcije med kvarki in gluoni.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj so up kvarki?

V: Kakšen je naboj up kvarkov?

V: Koliko vrst kvarkov obstaja?

V: Kakšen je spin up kvarkov?

V: Katere temeljne sile vplivajo na kvarke up?

V: Iz česa so sestavljeni protoni?

V: Katere delce lahko ustvarimo iz kvarkov gor?

Išči po črki