Šarmni kvark (kvark c) — lastnosti, odkritje in vloga v fiziki
Šarmni kvark (kvark c): spoznajte njegove lastnosti, zgodovinsko odkritje J/ψ in ključno vlogo v sodobni fiziki delcev.
Šarm kvarki ali kvarki c so tretji najbolj masivni od šestih kvarkov. Kot vsi kvarki naj bi bili tako majhni, da jih ni mogoče razdeliti. (Zato jih imenujemo elementarni delci). Podobno kot kvarki up imajo tudi kvarki charm naboj +2/3. Čeprav očarljivi kvarki niso zelo pogosti, jih lahko najdemo v delcih, ki nastanejo v pospeševalnikih delcev (ki pri izjemno velikih hitrostih razbijajo atome), kot so mezoni J/ψ, mezoni D in drugi očarljivi delci. Ker so fermioni (delci, ki jih na istem mestu in ob istem času ne more biti več kot en sam delec), imajo šarmi kvarki spin 1/2.
Odkritje očarljivih kvarkov - in mezonov J/ψ - je privedlo do hitrega znanstvenega preboja. Ti dogodki so znani kot novembrska revolucija.
Osnovne lastnosti
Simbol: c (šarm).
Naboj: +2/3 e (enaka kot pri kvarku up).
Spin: 1/2 (fermi–Diracov delec).
Barva: pride v treh barvnih stanjih (rdeča, zelena, modra), tako kot vsi kvarki — sodeluje v močni interakciji.
Masno območje: masa šarmnega kvarka ni neposredno merljiva zaradi confinmenta; v okvirih teoretičnih shem (MS¯) je približno 1,2–1,3 GeV/c², v modelih sestavljenih kvarkov pa običajno okoli 1,5 GeV/c². Natančna vrednost je odvisna od definicije mase in sheme renormalizacije.
Hadronske oblike s šarmnim kvarkom
Ker samostojno izolat šarmnega kvarka ni mogoče opazovati (konfinement), ga zaznavamo v kombinacijah s protikvarkom ali drugimi kvarki. Najpomembnejše skupine delcev so:
- Charmonium: vezane države c c̄, na primer J/ψ, ψ(2S), ηc in χc — analogijo z obnašanjem elektronskega atoma predstavlja močna vezava med kvarkom in protikvarkom.
- D mezoni: vsebujejo en šarmni kvark in en lahki protikvark, npr. D0 (cū), D+ (cđ) in D+s (cš).
- Charm baryoni: npr. Λc+ (cud), kjer sodelujejo trije kvarki z enim šarmnim.
Odkritje in »novembrska revolucija«
V novembru 1974 sta neodvisno odkritje oz. opazovanje ozke rezonančne strukture J/ψ—stanja c c̄—oznanjali skupini Sama Tinga (Brookhaven / MIT) in Burtona Richtra (SLAC). Odkritje je povzročilo hiter premik v razumevanju sestave osnovnih delcev in postavilo močnemu interakcijskemu okviru (kvantna kromodinamika, QCD) nov, zelo pomemben gradnik. Dogodku se pravi novembrska revolucija, za odkritje pa sta Ting in Richter leta 1976 prejela Nobelovo nagrado za fiziko.
Vloga šarmnega kvarka v fiziki
- Testiranje standardnega modela: procesi z šarmom omogočajo natančne preizkuse kvantne kromodinamike in elektroslabih interakcij.
- CKM-matrika: preskusi razpadov šarmnih delcev prispevajo k določitvi elementov Cabibbo–Kobayashi–Maskawa (npr. V_cs, V_cd) in tako k razumevanju spreminjanja vonjev kvarkov pri šibki interakciji.
- Preiskave CP-kršitve: pri šarmnih razpadih se iščejo drobni učinki CP-kršitve, ki lahko nakazujejo fiziko izven standardnega modela.
- Proba QGP (kvark–gluon plazma): v težkih ionskih trkih se opazovanje produkcije in zatiranja stanj, kot je J/ψ, uporablja kot signal spreminjanja lastnosti močne sile v gostem, vročem okolju.
- Produkcija v trkih: šarmni pari se pogosto ustvarijo preko trkov gluonov ali kvarkov v visokih energijah. Njihova produkcija in pospeševanje sta zelo pomembna za eksperimentalno fiziko delcev.
Razpadi in življenjska doba
Šarmni kvark sam razpada preko šibke interakcije, ko je vezan v hadron, kar vodi do različnih vrst razpadov (semileptonski, hadronski). Tipične časovne lestvice za D mezone so reda 10^−12 s, odvisno od vrste mezona in razpada. Zaradi različnih kanálov in moči presekov so razpadi šarmnih hadronov bogat teren za testiranje teorij in iskanje odstopanj od pričakovanj.
Zaključek
Šarmni kvark je ključni člen v razumevanju zgradbe materije znotraj standardnega modela. Njegovo odkritje je sprožilo pomembne premike v fiziki osnovnih delcev, danes pa raziskave šarmnih stanj prispevajo k proučevanju močne sile, preverjanju simetrij in iskanju novih pojavov izven znanih teorij.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj so šarmantni kvarki?
O: Čar kvarki so ena od šestih vrst kvarkov, ki veljajo za elementarne delce in jih ni mogoče razdeliti. Imajo naboj +2/3 in spin 1/2.
V: Kakšna je masa kvarkov?
O: Šarm kvarki so tretji najbolj masivni od šestih kvarkov.
V: Kje lahko najdemo očarljive kvarke?
O: Šarmantne kvarke lahko najdemo v delcih, ki jih ustvarijo pospeševalniki delcev, kot so mezoni J/ψ, mezoni D in drugi očarani delci.
V: Ali so očarljivi kvarki pogosti v naravi?
O: Šarmantni kvarki niso zelo pogosti.
V: Kakšen je pomen odkritja očarljivih kvarkov in mezonov J/ψ?
O: Odkritje kvarkov in mezonov J/ψ je privedlo do hitrega znanstvenega preboja, znanega kot novembrska revolucija.
V: Kakšen je naboj kvarkov?
O: Šarm kvarki imajo naboj +2/3, kar je podobno kot kvarki up.
V: Katere vrste delcev so kvarki?
O: Šarm kvarki so fermioni, to so delci, pri katerih se na istem mestu in ob istem času ne more nahajati več kot en takšen delec.
Iskati