Kvarky

Rozbalit box

Obsah boxu

Šablona:Infobox Elementární částice Kvarky jsou podle Standardního modelu částicové fyziky fundamentální elementární částice, které tvoří základ hmoty. Jsou to jediné známé částice, které podléhají všem čtyřem základním interakcím: gravitační, elektromagnetické, slabé a silné. Kvarky se nikdy nevyskytují samostatně, ale vždy ve skupinách, které tvoří složené částice zvané hadrony. Mezi nejznámější hadrony patří protony a neutrony, stavební kameny atomových jader.

Teoreticky byly předpovězeny v roce 1964 nezávisle na sobě americkým fyzikem Murray Gell-Mannem a Georgem Zweigem, aby vysvětlili vlastnosti a chování tehdy známých částic. Experimentální potvrzení přišlo v roce 1968 v lineárním urychlovači SLAC ve Stanfordu. Název "kvark" pochází z knihy Plačky nad Finneganem od Jamese Joyce, kde se objevuje věta "Three quarks for Muster Mark!".

⏳ Historie

V polovině 20. století objevili fyzikové v experimentech s urychlovači částic velké množství nových částic, což vedlo k potřebě jejich systemizace. V roce 1964 navrhli Murray Gell-Mann a George Zweig nezávisle na sobě model, podle kterého jsou mnohé z těchto částic (hadrony) složeny z menších, fundamentálních složek. Gell-Mann je nazval "kvarky", zatímco Zweig "esa" (aces).

Původní model počítal se třemi typy kvarků: horní (up, u), dolní (down, d) a podivný (strange, s), které stačily k popisu tehdy známých mezonů a baryonů. Tento model například správně předpověděl existenci a vlastnosti částice Ω⁻, která se skládá ze tří podivných kvarků a byla objevena v roce 1964, což teorii dodalo velkou váhu.

Experimentální důkaz pro existenci kvarků byl získán v roce 1968 ve SLAC při experimentech hlubokého nepružného rozptylu, kde elektrony ostřelovaly protony a odhalily v nich bodové subčástice. V 70. letech si teoretické a experimentální objevy vyžádaly zavedení dalších kvarků. V roce 1974 byl objeven čtvrtý, půvabný kvark (charm, c), a v roce 1977 pátý, spodní kvark (bottom, b). Poslední, šestý a nejtěžší kvark, svrchní (top, t), byl experimentálně potvrzen až v roce 1995 ve Fermilabu.

🔬 Vlastnosti a typy

Kvarky jsou fermiony se spinem ½. Každému kvarku přísluší antičástice zvaná antikvark, která má stejnou hmotnost, ale opačné znaménko elektrického náboje a barevného náboje. V současnosti známe šest typů (označovaných jako vůně) kvarků, které se dělí do tří generací:

První generace:

Kvark u (up, horní): Je nejlehčí ze všech kvarků a je stabilní. Je klíčovou součástí běžné hmoty, tvoří protony (dva kvarky u, jeden d) a neutrony (jeden kvark u, dva d).
Kvark d (down, dolní): Druhý nejlehčí kvark, rovněž stabilní v rámci nukleonů. Spolu s kvarkem u tvoří základ atomových jader.

Druhá generace:

Kvark s (strange, podivný): Je těžší a nestabilní. Částice obsahující tento kvark (tzv. podivné částice) byly poprvé pozorovány v kosmickém záření a vykazovaly delší dobu života, než se očekávalo.
Kvark c (charm, půvabný): Ještě hmotnější a nestabilní. Jeho objev v roce 1974 potvrdil teoretické předpovědi a doplnil druhou generaci částic.

Třetí generace:

Kvark b (bottom, spodní): Velmi těžký a nestabilní kvark, objevený v roce 1977.
Kvark t (top, svrchní): Je zdaleka nejtěžší elementární částicí Standardního modelu, s hmotností srovnatelnou s atomem wolframu. Má extrémně krátkou dobu života (řádově 10⁻²⁵ s) a rozpadá se dříve, než stihne vytvořit hadron.

Kvarky mají unikátní vlastnost – nesou zlomkový elektrický náboj. Kvarky typu up, charm a top mají náboj +⅔ elementárního náboje, zatímco kvarky down, strange a bottom mají náboj -⅓.

🎨 Barevný náboj a silná interakce

Kromě vůně a elektrického náboje mají kvarky další fundamentální vlastnost zvanou barevný náboj. Tento náboj nemá nic společného s vizuálními barvami, jedná se o typ náboje pro silnou interakci, podobně jako je elektrický náboj pro elektromagnetickou interakci.

Existují tři typy barevného náboje, které se konvenčně označují jako červená, zelená a modrá. Antikvarky pak nesou "antibarvy": antičervená (azurová), antizelená (purpurová) a antimodrá (žlutá). Silná interakce, která drží kvarky pohromadě, je zprostředkována gluony. Gluony jsou samy nositeli barevného náboje, což vede k tomu, že interagují i samy se sebou, na rozdíl od fotonů v kvantové elektrodynamice.

Teorie popisující interakce mezi barevnými náboji se nazývá kvantová chromodynamika (QCD). Klíčovým pravidlem QCD je, že všechny pozorovatelné částice (hadrony) musí být barevně neutrální neboli "bílé". Toho lze dosáhnout dvěma způsoby:

Kombinací tří kvarků s různými barvami (červená + zelená + modrá), což tvoří baryony (např. proton).
Kombinací kvarku a antikvarku s odpovídající barvou a antibarvou (např. červená + antičervená), což tvoří mezony.

⛓️ Vězení kvarků (Confinement)

Jedním z nejpodivuhodnějších důsledků kvantové chromodynamiky je jev zvaný barevné uvěznění (color confinement). Tento princip vysvětluje, proč nebyly nikdy pozorovány volné, izolované kvarky. Síla, která mezi kvarky působí, se totiž se vzdáleností nesnižuje, ale naopak roste.

Představit si to lze jako natahování extrémně pevné gumičky. Pokud se pokusíme dva kvarky od sebe oddělit, síla mezi nimi roste. V určitém bodě je v poli mezi nimi nahromaděno tolik energie, že je energeticky výhodnější vytvořit z této energie nový pár kvark-antikvark. Místo izolovaného kvarku tak vzniknou dva nové hadrony. Tento proces se nazývá hadronizace.

Jedinou známou výjimkou z tohoto "vězení" je stav hmoty zvaný kvark-gluonové plazma, což je extrémně horký a hustý stav, ve kterém se kvarky a gluony mohou volně pohybovat. Předpokládá se, že tento stav existoval několik mikrosekund po Velkém třesku a je možné jej na velmi krátkou dobu uměle vytvořit v urychlovačích částic, například při srážkách těžkých iontů.

👨‍👩‍👧‍👦 Kvarky ve společnosti (Hadrony)

Částice složené z kvarků se souhrnně nazývají hadrony. Dělí se do dvou hlavních kategorií:

Baryony: Jsou tvořeny třemi kvarky a patří mezi fermiony (mají poločíselný spin). Nejznámějšími baryony jsou proton (uud) a neutron (udd), které tvoří hmotu kolem nás. Dalšími příklady jsou hyperony, které obsahují jeden nebo více podivných kvarků.
Mezony: Skládají se z jednoho kvarku a jednoho antikvarku a patří mezi bozony (mají celočíselný spin). Mezony jsou obecně nestabilní. Příkladem jsou piony (π) nebo kaony (K).

V posledních letech experimenty naznačují i existenci tzv. exotických hadronů, které mají složitější kvarkovou strukturu, například:

Tetrakvarky: Složené ze dvou kvarků a dvou antikvarků.
Pentakvarky: Složené ze čtyř kvarků a jednoho antikvarku.
Gluebally (leponové koule): Hypotetické částice složené pouze z gluonů.

💡 Pro laiky: Kvark jako Lego vesmíru

Představte si, že celý vesmír je postaven z neuvěřitelně malé a nerozbitné stavebnice Lego. Kvarky jsou ty úplně nejzákladnější kostičky této stavebnice. Samy o sobě se ale nikdy nevyskytují – je to, jako by kostičky měly na sobě super-silný magnetismus, který je nutí být neustále spojené s jinými kostičkami.

V této stavebnici existuje jen šest druhů kostiček (to je šest "vůní" kvarků). Dva druhy, "up" a "down", jsou extrémně běžné a staví se z nich téměř vše, co známe – protony a neutrony v atomech. Ostatní čtyři druhy jsou vzácnější a těžší, jako speciální dílky ve stavebnici, které se objeví jen na chvíli.

Aby to drželo pohromadě, má každá kostička "barevný náboj" (červený, zelený nebo modrý). Pravidlo hry je, že výsledný model musí být vždy "bezbarvý" nebo "bílý". Toho dosáhnete buď spojením tří různých barev (jako v protonu), nebo spojením barvy a její "antibarvy" (jako v mezonu). Síla, která je drží pohromadě, je tak obrovská, že když se pokusíte dvě kostičky od sebe odtrhnout, energie potřebná k tomu vytvoří z ničeho nic dvě nové kostičky, které se okamžitě spojí do nových modelů. Proto nikdy neuvidíte samotnou Lego kostičku ležet volně.

🧪 Současný výzkum a budoucnost

Výzkum kvarků je stále v popředí částicové fyziky. Experimenty na urychlovačích, jako je Velký hadronový urychlovač (LHC) v CERNu, se zaměřují na několik klíčových oblastí:

Přesné měření vlastností kvarků: Zejména nejtěžšího, top kvarku, jehož vlastnosti mohou být klíčem k pochopení Higgsova bosonu a stability vesmíru.
Hledání nové fyziky: Odchylky v rozpadech částic obsahujících b-kvarky by mohly naznačovat existenci dosud neznámých částic nebo sil mimo Standardní model.
Studium kvark-gluonového plazmatu: Srážky těžkých jader umožňují vědcům studovat vlastnosti hmoty v extrémních podmínkách, jaké panovaly těsně po Velkém třesku.
Potvrzení exotických hadronů: Detailní studium tetrakvarků a pentakvarků pomáhá lépe pochopit komplexní pravidla kvantové chromodynamiky.

Pochopení chování kvarků a silné interakce zůstává jednou z největších výzev moderní fyziky, zejména v oblasti nízkých energií, kde jsou matematické výpočty v rámci QCD extrémně složité.

Zdroje

Aldebaran - Hadrony Aldebaran - Kvark Wikipedia - Kvark Wikipedia - Standardní model Wikipedia - Barevný náboj Wikipedia - Barevné uvěznění Matfyz.cz - Hon na půvabný kvark Jiří Hořejší - Kvantová chromodynamika