Žavusis (c) kvarkas: apibrėžimas, savybės ir atradimas
Sužinokite apie žavųjį (c) kvarką: jo savybes, +2/3 krūvį, J/ψ ir D mezonus bei atradimą — lapkričio revoliuciją dalelių fizikoje.
Šarminiai kvarkai arba žavusieji (c) kvarkai yra vieni iš šešių fundamentaliųjų kvarkų ir priklauso antrajai (vidurinei) kartai. Manoma, kad jie, kaip ir visi kvarkai, yra elementariosios dalelės — tokios, kurių negalima suskaidyti į paprastesnes daleles (elementariosios dalelės). Kaip ir up kvarkai, žavieji kvarkai turi elektrinį krūvį +2/3 e (krūvį). Kadangi jie yra fermionai, jų sukinys (spin) yra 1/2. Žavieji kvarkai neatskiriamai susiję su stipriuoju sąveikavimu („spalva“), todėl jų negalima pastebėti laisvai – jie visada egzistuoja susietose būsenose (mezonuose ar barionuose).
Pagrindinės savybės
- Masė: žaviojo kvarko „current“ masė yra apie 1,27 GeV/c², o efektyvi (konstitucinė) masė dažnai nurodoma apie 1,5 GeV/c² — tai žymiai sunkesnis už up ir down kvarkus, bet lengvesnis už bottom ir top kvarkus.
- Krūvis: +2/3 e (tai tas pats krūvis, kaip ir up kvarko).
- Sukinys: 1/2 (fermionas).
- Spalva: turi QCD „spalvos“ laipsnius laisvai sąveikauti per gluonus.
- Generacija: priklauso antrajai kvarkų kartai (kartos numeris dažnai žymimas kaip „charm“/žavusis).
- Decėjimas: žavieji kvarkai paprastai suyra per silpnąją sąveiką į lengvesnius kvarkus; jų sukuriami hadronai (pvz., D mezonai) turi trumpas, bet matomas gyvenimo trukmes (D⁰ ~4.1×10⁻¹³ s, D⁺ ~1.0×10⁻¹² s — tai aproximacijos, priklauso nuo konkrečios būsenos).
Hadriniai junginiai su žaviuoju kvarku
Žavieji kvarkai dalyvauja įvairiuose hadronuose:
- Charmonium (žaviojo kvarko ir jo antipartnerio c c̄) sistemos — pavyzdžiui, J/ψ (masė apie 3,097 GeV/c²) ir ψ′, kurios yra izoliuotos rezonansinės būsenos.
- D mezonai (pvz., D⁰, D⁺), kuriuose yra vienas žavusis kvarkas ir vienas lengvesnis (up, down arba strange) antikvarkas.
- Charmed barionai, pvz., Λc (sudėtis c u d), ir kiti sunkesni baryonai su žaviuoju kvarku.
Pirmieji atradimai ir lapkričio revoliucija
Žaviojo kvarko atradimas glaudžiai susijęs su J/ψ mezono nustatymu 1974 m. Kai J/ψ rezonansas buvo aptiktas nepriklausomai dviem tyrimų grupėms (vieną vadovavo Samuel C. C. Ting Brookhaven’e / MIT ir kitą — Burton Richter Stanforde), mokslinėje bendruomenėje kilo didžiulis susidomėjimas. Šis įvykis — vadinamasis „lapkričio revoliucija“ (November Revolution) — atvėrė langą į sunkių kvarkų fiziką ir greitai patvirtino žaviojo kvarko egzistavimą. Už šį atradimą 1976 m. Nobelio premija buvo skirta Tingui ir Richteriui.
Rezonanso stiprumas bei smulkios spektros savybės leido fizikos teorijoms (pvz., kvarkų modelio ir QCD) patikimai paaiškinti naujai aptiktas būsenas. Be to, žaviojo kvarko egzistavimas patvirtino ankstesnes teorines prognozes, tokiomis kaip Glashow–Iliopoulos–Maiani (GIM) mechanizmas, kuris paaiškino tam tikrų neutraliųjų srovės procesų slopinimą ir skatino idėją apie papildomą kvarko skonį (charm).
Kur randami ir kaip tiriami?
Nors žavieji kvarkai natūralioje aplinkoje nėra dažni, juos sukuria aukštos energijos procese dalelių greitintuvuose, kuriuose dalelės (pvz., protonai ar elektronai) susiduria labai didelėmis energijomis ir generuoja sunkius kvarkų poras. Originaliame tekste minimi pavyzdžiai, kur žavieji kvarkai aptinkami, yra J/ψ mezonai, D mezonai ir kitos žaviosios dalelės. Laboratorijose žavesio būsenos aptinkamos per jų skilimo produktus — dažnai per poras leptono, pvz., e⁺e⁻ arba μ⁺μ⁻, kurie lengvai registruojami detektoriuose.
Tyrimai vykdomi įvairiais būdais:
- e⁺e⁻ anihiliacijos eksperimentai (tikslūs spektros matavimai),
- hadronų susidūrimai (protonų–protonų ar protonų–antiprotonų greitintuvuose),
- fotoprodukcija ir kitos stiklinės sąveikos.
Reikšmė fizikai ir tolesni tyrimai
Žaviojo kvarko atradimas ir jo būsenų tyrimas turėjo didelę įtaką dalelių fizikai:
- Patvirtino kvarkų modelį ir kvarkų egzistavimą sunkių kvarkų srityje.
- Padėjo išbandyti kvantinės chromodinamikos (QCD) prognozes ir suprasti stipriąją sąveiką vidutinio energijų intervalo diapazone.
- Leido kruopščiai tirti CP simetrijos pažeidimus ir mezonų maišymą (mixing) D mezonų sistemoje bei tyrinėti silpnąsias skilimo kanalus.
Iš esmės, žavusis (c) kvarkas yra viena iš kertinių Standardinio modelio sudedamųjų dalių: jo savybės, sukeliamos rezonansinės būsenos ir skilimo kanalai leidžia gilinti supratimą apie fundamentalias jėgas ir dalelių tarpusavio sąveikas.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra žavieji kvarkai?
Atsakymas: Žavieji kvarkai yra viena iš šešių kvarkų rūšių, kurie, kaip manoma, yra elementariosios dalelės ir negali būti padalyti. Jų krūvis yra +2/3, o sukinys - 1/2.
K: Kokia yra žaviųjų kvarkų masė?
A: Žavieji kvarkai yra treti pagal masę iš šešių kvarkų.
K: Kur galima rasti žaviųjų kvarkų?
A: Žaviųjų kvarkų galima rasti dalelių greitintuvuose sukurtose dalelėse, pavyzdžiui, J/ψ mezonuose, D mezonuose ir kitose žaviosiose dalelėse.
K: Ar gamtoje paplitę žavieji kvarkai?
A: Žavieji kvarkai nėra labai paplitę.
K.: Kokia yra žaviųjų kvarkų ir J/ψ mezonų atradimo reikšmė?
A.: Charminių kvarkų ir J/ψ mezonų atradimas paskatino greitą mokslo proveržį, vadinamą lapkričio revoliucija.
K: Koks yra šarminių kvarkų krūvis?
Atsakymas: Žaviųjų kvarkų krūvis yra +2/3, t. y. panašus į aukštynkrypčių kvarkų krūvį.
K: Kokios dalelės yra šarmingieji kvarkai?
A: Žavieji kvarkai yra fermionai, t. y. dalelės, kurių toje pačioje vietoje vienu metu negali būti daugiau nei viena.
Ieškoti