Up kvarkas (aukštasis kvarkas) — apibrėžimas, savybės ir vaidmuo

Up kvarkas: supraskite jo apibrėžimą, savybes ir vaidmenį dalelių fizikoje — krūvis, sukinys, fundamentinės sąveikos ir reikšmė protonams bei neutronams.

Up kvarkas (aukštasis kvarkas) yra viena iš pagrindinių subatominės dalelės, iš kurių sudaryta materijos formų — kvarkų rūšių, kurios jungiasi į didesnes daleles, tokias kaip protonai ir neutronai. Up kvarkas turi elektrinį krūvį +2/3 e (dažnai trumpai rašoma +2/3) ir priklauso pirmajai lengviausių kvarkų rūšiai (skonių), kartu su žemyn (down) kvarku. Kaip ir visi kvarkai, up kvarkas yra fermionas su sukiniu 1/2 ir dalyvauja visose keturiose pagrindinėse jėgose: gravitacijoje, stipriojoje jėgoje (kvarkus sujungiančioje jėgoje, kurią aprašo kvantinė chromodinamika), silpnojoje jėgoje ir elektromagnetizme. Kaip ir kiti kvarkai, up kvarkas turi tris „spalvų“ būsenas (color charge), todėl jo negalima stebėti izoliuotai dėl kvarkų suvaržymo (confinement) — kvarkai egzistuoja tik susijungę į hadronus.

Pagrindinės savybės

• Krūvis: +2/3 e (elektromagnetizmas).
• Sukinė: 1/2 (fermionas, priklauso medžiagos dalelėms, ne jėgų nešančioms dalelėms).
• Baryoninis skaičius: +1/3 už kiekvieną kvarką (t. y. trys kvarkai sudaro baryoną su baryoniniu skaičiumi 1).
• Spalvų krūvis: turi vieną iš trijų spalvų (raudona, žalia arba mėlyna), kas yra stipriosios sąveikos laukas.
• Masė: up kvarko „dabartinė“ (current) masė yra labai maža — maždaug keli MeV/c² (apytiksliai ~2 MeV/c² pagal dalelių duomenų apžvalgą), tačiau „konstitucinė“ masė, kurią gauna dėl sąveikų viduje hadronų, yra didesnė (šimtai MeV).
• Antidalelė: anti-up kvarkas (ūpas) turi priešingą krūvį −2/3 e.

Vaidmuo dalelių struktūroje ir reakcijose

Protonai sudaryti iš dviejų aukštųjų (up) kvarkų ir vieno žemyn (down) kvarko — jų krūviai susumuojami (+2/3 +2/3 −1/3 = +1). Neutronai, kurių bendras krūvis yra 0, sudaryti iš vieno aukštojo kvarko ir dviejų žemyn kvarkų ( +2/3 −1/3 −1/3 = 0). Up kvarkai taip pat yra pagrindinis elementas lengvuosiuose mezonuose ir kitose sudėtingesnėse dalelėse — pavyzdžiui, pionuose ir kitose mezonų porose bei baryonuose.

Mezonų pavyzdžiai: π+ yra sudarytas iš up kvarko ir anti-down kvarko (u anti-d), tuo tarpu π0 yra kvarkas–antikvarko superpozicija (pvz., u anti-u arba d anti-d). Kvarkų virsmai vyksta per silpnąją jėgą — pavyzdžiui, neutrono β-nykimo metu vienas žemyn kvarkas skyla į up kvarką, išskirdamas W− bozoną, kuris virsta elektronu ir antineutrinu.

Kodų teorija ir stebėjimas

Up kvarkai ir jų savybės yra aprašomos kvantinės chromodinamikos (QCD) ir Standartinio modelio rėmuose. Dėl sąveikų QCD quarkų sąveika turi dvi svarbias savybes: suvaržymą (confinement) — kvarkų nėra izoliuotai, jie yra užfiksuoti hadronuose, ir asimptotinę laisvę — aukštomis energijomis kvarkai elgiasi kaip laisvos dalelės. Up kvarkų buvimas ir savybės nustatomi eksperimentuose per gilų inelastingą sklidimą (deep inelastic scattering), hadronų skaldymąsi ir aukštų energijų colliderių duomenis, kur kvarkų išsiskyrimas pasireiškia kaip adroninių skriejimų (jets) struktūros.

Kodėl up kvarkas yra svarbus?

• Jis kartu su down kvarku lemia žemiausių energijų hadronų — protonų ir neutronų — struktūrą, todėl tiesiogiai įtakoja atomo branduolio savybes.
• Per silpnąją sąveiką kvarkų pokyčiai lemia radioaktyvųjį β-nykimą ir daugeliu atvejų — žvaigždžių branduolių reakcijas bei elementų sintezę.
• Studijuojant up kvarkus, mokslininkai tiria QCD savybes, stipriosios jėgos dinamiką ir istorinius kosmologinius procesus.

Apibendrinant, up (aukštasis) kvarkas yra vienas iš pagrindinių Standartinio modelio statybinių blokų: lengvas, pusiau skaitinis (spin 1/2) fermionas su krūviu +2/3, dalyvaujantis visose fundamentinėse sąveikose ir esminis protonų, neutronų bei daugelio mezonų ir baryonų sudedamasis elementas. Kaip ir visi kvarkai, jis egzistuoja tik kaip dalis sudėtingesnių dalelių dėl kvarkų suvaržymo.

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kas yra aukštyn kylantys kvarkai?

K: Koks yra aukštynkampių kvarkų krūvis?

K: Kiek yra kvarkų rūšių?

K: Koks yra aukštynkampių kvarkų sukinys?

K.: Kurios fundamentaliosios jėgos veikia up kvarkus?

K: Iš ko sudaryti protonai?

K: Kokias daleles galima sukurti iš aukštyn nukreiptų kvarkų?

Paieška pagal raidę