Kvargid

Kvargid on elementaarosakesed, mis osalevad tugevas vastastikmõjus. Et neutronid ja prootonid koosnevad kvarkidest ja elektronid (mis on leptonid) on samuti fundamentaalosakesed, siis võib öelda, et kvargid ja leptonid on praegu teadaolevalt aine vähimad ja jagamatud osakesed.

Kvargid omavad värvilaengut ning osalevad seetõttu tugevas vastastikmõjus. Tulenevalt tugeva vastasmõju eripärast ei saa kvargid eksisteerida üksinda, vaid peavad moodustama liitosakese, mille värvilaeng on neutraalne. Selliseid liitosakesi nimetatakse hadroniteks.

Et värvilaenguid on kolm (punane, sinine ja roheline) ja igale värvilaengule vastab antivärvilaeng (antipunane, antisinine ja antiroheline), siis moodustavad neutraalse liitosakese kas kolm erineva värvilaenguga kvarki või värvilaengu ja selle antivärvilaenguga kvargid. Tulenevalt sellest eksisteerivad kolmest kvargist koosnevad barüonid ning kvargist ja antikvargist koosnevad mesonid.

Teoreetiliselt on võimalikud ka neljast kvargist ja antikvargist koosnevad barüonid (pentakvargid) ja kahest kvargist ning kahest antikvargist koosnevad mesonid (tetrakvargid).

Kvarkide teooria esitas esimesena füüsik Murray Gell-Mann 1964. aastal, katselist tõendust sai teooria 1960. aastate lõpul – 1970. aastate algul.

Nimetus "kvark" (inglise keeles quark) pärineb James Joyce'i romaanist "Finnegan's Wake" (1939), kus selle sõna tähendus jääb ebaselgeks; arvatavasti tähendab see varese kraaksu, võib-olla aga hoopis moonutatud kuju sõnast kvart.

Tugev vastasmõju on otseselt seotud värvilaenguga. "Värvilised" osakesed tõmbuvad. Tugeva vastasmõju eripäraks on, et hadroni läbimõõdu ulatuses on see jõud praktiliselt olematu ning kvargid liiguvad hadroni sees vabalt (seda nimetatakse ka pseudovabaduseks) relativistlike kiirustega. Kvarkide eemaldumisel üksteisest kasvab tugev vastasmõju kiiresti ning jääb siis konstantseks. Kvarki ei ole võimalik hadroni seest vabastada, kuna tema "välja löömiseks" vajalik energia on nii suur, et tõmbab vaakumist välja uue kvargi-antikvargi paari, mis moodustab lahknevate kvarkidega uued hadronid. Seda protsessi kutsutakse hadronisatsiooniks ja selle olemus on veel lõpuni selgitamata.

Värvilaengu kandjaks on gluuon, mis omab korraga nii värvi kui ka antivärvi laengut. Et gluuon on ise "värviline" osake, siis osaleb ta ka ise tugevas vastasmõjus. Seetõttu ei saa eksisteerida vabu gluuoneid, vaid ka gluuonid on seotud hadronite sisse.

Kvarke on 6 tüüpi: u-, d-, s-, c-, b- ja t-kvargid (ingliskeelsetest sõnadest up (üleval), down (all), strange (veider), charm (sarm), bottom (põhi), top (tipp)). Meid ümbritsevas tavaaines esinevad üksnes u- ja d-kvargid, teisi on täheldatud vaid kiirendites väga kõrgetel energiatasemetel suhteliselt lühikese aja jooksul. u-kvargi elektrilaeng on +2/3 ja oletatav mass 1,5...4 MeV/c²; d-kvargi laeng –1/3 ja mass 4...8 MeV/c². Lisaks vastab igale kvargile sama massi, kuid vastupidiste laengutega antikvark.

Kvarki iseloomustav kvantarv isospinn määrab ära, kas tegemist on up-tüüpi kvargiga või down-tüüpi kvargiga. Isospinn (I_z) 1/2 on up-tüüpi kvarkidel (u-, s- ja b-kvark) ning isospinn –1/2 on down-tüüpi kvarkidel (d-, c- ja t-kvark).

Kvargi omadusi S (veidrus), C (sarm), B (põhisus) ja T (tipusus) nimetatakse ka kvargi lõhnaks. Kvargid u ja d ei kanna lõhna, nende oleku määrab ära ainult nende isospinn (I_z). Kui kvargid moodustavad hadroni, siis määrab hadroni lõhna tema koosseisu kuuluvate kvarkide summaarne lõhn.

Lõhna olemasolu alusel jagatakse näiteks mesoneid lõhnatuteks (koosnevad ainult d- või u-kvarkidest ja antikvarkidest või lõhnaga kvargist ja sama lõhnaga antikvargist) ning lõhnaga mesoniteks (koosnevad lõhnaga kvargist ja mõnest teisest antikvargist või vastupidi).

Järgnev tabel võtab kokku kuue teadaoleva kvargi omadused:

Põlvkond	Nõrk Isospin	Lõhn	Nimetus	Sümbol	Laeng (e)	Mass (MeV/c2)	Antiosake	Sümbol
1	+1/2	Iz=+½	Up	u	+2/3	1,5 – 4,0	Antiup	${\displaystyle {\overline {u}}}$
1	–1/2	Iz=–½	Down	d	–1/3	4 – 8	Antidown	${\displaystyle {\overline {d}}}$
2	–1/2	S=–1	Strange	s	–1/3	80 – 130	Antistrange	${\displaystyle {\overline {s}}}$
2	+1/2	C=1	Charm	c	+2/3	1150 – 1350	Anticharm	${\displaystyle {\overline {c}}}$
3	–1/2	B'=–1	Bottom	b	–1/3	4100 – 4400	Antibottom	${\displaystyle {\overline {b}}}$
3	+1/2	T=1	Top	t	+2/3	170900 ± 1800[1]	Antitop	${\displaystyle {\overline {t}}}$

Katsete tulemusena on kindlaks tehtud, et hadronis eksisteerib lisaks teda moodustavatele kvarkidele ka "meretäis" virtuaalseid kvarke (inglise keeles sea of virtual quarks) ja gluuoneid. Neid võib hadronis olla lõpmatu hulk. Virtuaalsete kvarkide paar tekib siis, kui samas hadronis olev gluuon jaguneb kaheks; sama protsess toimub ka vastupidi, kahe kvargi annihileerumine kiirgab gluuoni. Nagu kõik teised virtuaalsed osakesed, nii eksisteerivad ka virtuaalsed kvargid ja gluuonid ainult määramatuse printsiibiga lubatud üliväikese aja jooksul, osaledes kvarke hadronis koos hoidvas tugevas vastasmõjus. Virtuaalsed kvargid võivad teatud oludel hadroniseeruda.

• What are Quarks? | Physics | The Fuse School [1] (ingliskeelne selgitav video)