Възходящ (ъп) кварк — свойства, заряд и роля в протоните и неутроните

Възходящ (ъп) кварк: заряд +2/3, спин 1/2, роля в протоните и неутроните, взаимодействия с фундаменталните сили и участието му в образуването на по-сложни частици.

Кварките нагоре са субатомни частици, които помагат за изграждането на много по-големи частици, като протоните. Възходящите кварки имат заряд +2/3 (от елементарния заряд e) и са най-леките от шестте вида (аромати) кварки. Подобно на всички фермиони (частици, които не са носители на сила), възходящите кварки имат спин 1/2. Те се влияят от всичките четири фундаментални сили, които са гравитация, силна сила, слаба сила и електромагнетизъм. Подобно на всички кварки, ъп кварките са елементарни частици, което означава, че те са толкова малки, че учените смятат, че не могат да бъдат разделени повече.

Свойства на възходящия (ъп) кварк

• Електричен заряд: +2/3 e — дробен заряд, типичен за някои кварки.
• Спин: 1/2 — възходящите кварки са фермиони и подлежат на Паулиевия принцип.
• Маса: много лека в сравнение с тежките кварки. Текущите оценки (в рамките на квантовата хромодинамика) дават маса от порядъка на няколко MeV/c2 (приблизително 2–3 MeV/c2), но точната стойност зависи от начина на дефиниране (т.нар. current/constituent mass и ефекти от QCD).
• Цвят (color charge): възходящите кварки носят „цвят“ — основното свойство, чрез което те участват в силното взаимодействие. Има три цветови заряда (червено, зелено, синьо) и техните антикварки.
• Конфайнмент: Кварките не могат да бъдат наблюдавани свободно поради феномена на закрепване (confinement). На разстояния, по-големи от размера на адроните, силата между кварките не намалява и те остават свързани в бариони (като протони и неутрони) или в мезони (кварк–антиkварк двойки).
• Антипартньор: Съществува и анти-възходящ кварк (anti-up) с електричен заряд −2/3 e.
• Взаимодействие чрез слаба сила: Възможно е смяна на „аромата“ (flavor) на кварка чрез слабото взаимодействие — например преобразуване между възходящ и низходящ кварк чрез обмен на W-бозон. Вероятностите за такива преходи се описват от CKM матрицата.

Роля в протоните, неутроните и други частици

Протоните (които имат общ заряд +1) се състоят най-често от два възходящи кварка (със заряд +2/3) и един низходящ кварк (със заряд -1/3), обикновено обозначавано като конфигурация uud. Неутроните (които имат общ заряд 0) се състоят от един възходящ кварк и два низходящи кварка (udd). Сборът от дробните заряди дава целия заряд на бариона: +2/3 +2/3 −1/3 = +1 за протона и +2/3 −1/3 −1/3 = 0 за неутрона.

Важно е да се отбележи, че масата на протона и неутрона не идва само от масите на отделните кварки. По-голямата част от масата на ядрените частици произлиза от енергията на силното взаимодействие — от кинетичната енергия на кварките и енергията на глуонното поле (според еквивалентността маса–енергия E=mc2).

Възходящите кварки участват и в образуването на по-сложни и краткотрайни частици. Например някои мезони (като пиони) са съставени от кварк–антикварк двойки: π+ = u anti-d, π− = d anti-u, а π0 е комбинация от u anti-u и d anti-d. При високоенергийни сблъсъци кварките и глуоните могат да се проявят като джетове частици, които експериментално ни дават информация за вътрешната структура на адроните.

Как се изучават ъп кварките

Кварките не могат да бъдат „видени“ директно, но тяхното съществуване и свойства се изследват чрез експерименти като дълбоко нееластично разсейване (deep inelastic scattering), сблъсъци в колайдери (напр. LHC) и изучаване на разпадите на адрони. Теорията, която описва силното взаимодействие между кварките и глуоните, е квантовата хромодинамика (QCD). Някои важни явления на QCD са асимптотичната свобода (на малки разстояния кварките взаимодействат по-слабо) и конфайнментът (на големи разстояния кварките са свързани).

Накратко: възходящият (ъп) кварк е основен градивен елемент на обикновената материя — участвa активно в структурата и свойствата на протоните, неутроните и много от наблюдаваните адрони, а неговите характеристики са ключови за разбирането на силните и слабите взаимодействия в природата.

Въпроси и отговори

В: Какво представляват кварките нагоре?

В: Какъв е зарядът на up кварките?

В: Колко вида кварки има?

Въпрос: Какъв е спинът на кварките нагоре?

В: Кои фундаментални сили влияят на кварките?

В: От какво са изградени протоните?

В: Какви частици могат да се използват за създаване на възходящи кварки?

Търсене по буква