Quark

Erabilera eredu estandarrean

1964. urtean^[3], Murray Gell-Mann^[4] eta George Zweig^{[5] [6]}fisikariek Quark eredua proposatu zuten independenteki. Proposamen honen aurretik, 1961ean, Gell-Mannek partikulen sailkapenerako formulazio bat eskaini zuen: Eightfold Way izenekoa edo, termino tekniko batean esanda, SU(3) simetria mota^[7][8]. Yuval Ne`eman fisikariak independenteki garatu zuen  Eightfold Way antzeko eskema bat, urte berean gainera^[9][8][10].

Quark teoria proposatzerakoan, “partikulen zoologikoan” partikula askoren artean hadroi ugari zeuden. Gell-Mann eta Zweig ikertzaileen arabera, hadroiak ez ziren oinarrizko partikulak, baina quarken eta antiquarken arteko konbinazioaz osatuta zeuden. Haien eredua hiru motatako quarkez osatuta zegoen: up, down eta strange; eta hauetako bakoitzari spin eta karga elektrikoa bezalako propietateak ematen zizkioten^[4][5][6] . Komunitate zientifikoak hainbat iritzi zituen gai honen inguruan. Eztabaida handia zegoen ea quarka izaki fisiko bat zen edo garai hartan zeharo ulertzen ez ziren kontzeptuak azaltzeko erabiltzen zen abstrakzio soil bat^[11].

Urtebete baino gutxiagoan, Gell-Mann-Zweig eredurako luzapenak proposatu ziren. Sheldon Glashowk eta James Bjorkenek laugarren quark zapore baten existentzia iragarri zuten: charm. Proposamen hori egin zen, hain zuzen, elkarrekintza nuklear ahula (quarkak hondatzeko aukera ematen duen mekanismoa) hobeto deskribatzeko, quarken eta leptoien kopurua berdintzeko eta mesoien ^[13] masak ondo birsortzen zuen masa formula inplementatzeko.

1968an, Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) gunean, dispertsio inelastiko sakonaren esperimentuak egin ziren, eta 1969ko urriaren 20an argitaratu ziren emaitzak. Esperimentu hauen bidez ikusi zen protoiak elementu (askoz) txikiagoak zituela bere barnean. Beraz, ondorioztatu zen protoia ez zela oinarrizko partikula bat^[14][15][16]. Momentu horretan, fisikariek ez zuten izan objektu horiek quarkekin identifikatu, eta "partoiak" deitu zituzten (Richard Feynmanek asmatutako terminoa, alegia). Ordea, SLACen behatutako objektuak, geroago, u eta d quarkak bezala identifikatuko ziren, (u eta d quarkekin identifikatuko ziren), beste zaporeak aurkitu ahala^[17]. Hala ere, “partoi” termino kolektibo gisa mantendu da, hadroien osagaietarako (quarkak, antiquarkak eta gluoiak), hain zuzen ere ^{[18] [19][20]}.1990ean, Richard Taylor, Henry Kendall eta Jerome Friedmanek Fisikako Nobel saria jaso zuten SLACen egindako lanagatik.

SLACeko dispertsio- esperimentuetatik, zeharka lortu zen baieztatzea s quarkaren existentzia ere: Gell-Mann eta Zweig-en  hiru quarken ereduarentzat ezinbesteko osagaia izateaz gain, 1947an izpi kosmikoetan aurkitutako kaon (k) eta pion (π) hadroien azalpena eman zuen s quarkak^[21].

1970ean, Sheldon  Glashow, John Iliopoulos eta Luciano Maianik GIM siglarekin ezagutzen den mekanismoa aurkeztu zuten. Mekanismo honen bidez,  zaporea aldatzen duten korronte neutralen behaketa ez- esperimentala azaltzeko eredu teorikoa proposatu zuten. Ohartu GIM izena hiruren abizenetik datorrela. Eredu teoriko horrek, c quarka (oraindik aurkitu gabea) behar zuen^[22][23].

1973an, quarken ustezko zaporeen kopurua gaur egungo seietara igo zen, Makoto Kobayashi eta Toshihide Maskawa-k sumatu zutenean CPren haustearen behaketa esperimentala azal zitekeela beste quark bikote bat balego (azal zitekeela)^{[nb 3][24]}

.

1974ko azaroan, c quarkak ia aldi berean ekoitzi zituzten bi taldek (ikus Azaroko Iraultza) – bata SLACen, Burton Richterrek zuzenduta, eta bestea Brookhaven Laborategi Nazionalean, Samuel Tingek zuzenduta. C quarkak xarmaz lotu ziren mesoietan. Bi aldeek deskubritutako mesoiari bi sinbolo esleitu zizkioten, J eta ψ. Eta, ondoren, formalki honela ezagutu zen: J/ψ  mesoia. Azkenean,  aurkikuntza honek fisikarien komunitate konbentzitu zuen quark ereduaren baliotasunaz^[25].

Hurrengo urteetan iradokizun batzuk agertu ziren quark-eredua sei quarketara hedatzeko. Haim Harariren^[26] 1975eko artikulua izan zen horietako bat. Artikulu hau lehenengoa izan zen goi eta behe terminoak erabiltzen quark gehigarrietarako^[27].

1977an, Fermilabeko talde batek, Leon Ledermanek^[28][29] zuzenduta, b quarka ikertu zuen. T quark-aren existentziaren adierazle sendoa izan zen hori; izan ere, t quarkik gabe, quarka egongo litzateke bikoterik gabe.

1995. urtera arte ez zen aurkitu  lehenengo t quarka.  CDF^[30] and DØ^[31] taldeak lortu zuen, Fermilab-en^[32]. Espero zena baino masa handiagoa zuen behatutako quarkak^[33], ia urrezko atomo batena bezain handia^[34].

Quarkak ez daude aske naturan, baizik eta hadroiak osatuz agertzen dira. Hauek bi motatan banatzen dira:

• Mesoiak: quark eta antiquark batez osatutako bosoiak (pioiak, kaonak...)

• Barionak: hiru, lau^[35] edota bost^[36][37] quark edota antiquarkez osatutako fermioiak (protoiak, neutroiak...).

Sei quark mota daude, eta bakoitzak bere zaporea, karga, isospin ahula eta masa ditu (propietate garrantzitsuenen artean). Quark bakoitzerako, propietate horien zerrenda bat hurrengo hau da^[38][39]:

Leptoien ondoan, quarkek inguratzen gaituen ia materia guztia osatzen dute. Gehiena, lehenengo bi quarkek osatzen dute, protoien eta neutroien nukleo atomikoak eratzen baitituzte.

Karga

Quarkek energia elektriko zatikatua dute: zaporearen arabera,  -⅓  edo +⅔  aldiz oinarrizko karga. Up, charm eta top quarken (goi-motetako quarkak ere esaten zaie) karga +⅔ e da eta down, strange eta  bottom quarken (behe-motetako quarkak esaten zaie) karga, aldiz, -⅓ e da. Lehenengo hiru quark motei goi-motetako quarkak ere esaten zaie; bigarren motetakoak, ordea, behe-motetako quarkak dira. Antiquarkek dagozkien quarken kontrako karga dute, hau da, goi-motetako antiquarkek -⅔ e-ko kargak dituzte eta behe-motetako antiquarkek +⅓ e-ko kargak dituzte.

Hadroi baten karga elektrikoa hadroia osatzen duten quarken kargen batura da. Hadroiek karga osoak dituzte; izan ere, hiru quarken (barioiak), hiru antiquarken (antibarioiak) edo quark-antiquarken (mesoiak) konbinazioak zenbaki osoak dira^[40].

Adibidez, nukleo atomikoan, protoiak eta neutroiak 0 eta +1e kargak dituzte, hurrenez hurren: bi down quarkek eta up quark batek neutroia osatzen dute, eta bi up quarkek eta down quark batek protoia osatzen dute^[41].

Spin

Spina oinarrizko partikulen propietate bat da, eta haren norabidea askatasun-gradu garrantzitsu bat da. Batzuetan, objektu batek bere ardatzaren inguruan egiten duen birarekin konparatzen da; hala ere, eredu hori eskala azpiatomikoan ez da zuzena, oinarrizko partikulak puntualak direla uste baita^[42].

Spina Planck konstante murriztuaren (ħ) unitateetan neurtzen den bektore baten bidez ordezka daiteke. Ardatzean zehar,  quarkentzat, biraketa-bektorearen neurketa batek +ħ/2 eta -ħ/2 balioak bakarrik eman ditzake. Horren ondorioz, quarkak spin-½ partikulen artean sailkatzen dira^[43]. Ardatz jakin bateko (z ardatza hitzarmenez) biraketa-elementuak har ditzakeen balioak gezi batez irudikatu ohi dia: gezi gora batez (goranzko gezi batez), +½ balioa; eta gezi behera batez (beheranzko gezi batez), -½ balioa. Adibidez, Z ardatzean +½ spina duen up quarka u↑ sinboloz adierazi daiteke.^[44]

Interakzio ahula

Interakzio ahula oinarrizko lau elkarrekintzetako bat da. Partikula subatomikoen arteko interakzio-mekanismo bat da, quarken koloreak aldatzea eragiten duena. Kolore aldaketa honek partikulen beta-desintegrazio eta alderantzizko beta-desintegrazio erradioaktiboa eragiten du.

${\displaystyle {n}\rightarrow p+e^{-}+{\bar {v_{e}}}}$ β desintegrazioa, hadroi notazioan

${\displaystyle udd\rightarrow uud+e^{-}+{\bar {v_{e}}}}$ β desintegrazioa, quark notazioan

Interakzio bortitza

Kromodinamika kuantikoaren arabera (QCD: Quantum Chromodynamics), kolore-karga izeneko propietatea dute quarkek. Quarken kasuan, hiru kolore bereiz daitezke: urdina, berdea eta gorria. Antiquarken kasuan: antiurdina, antiberdea eta antigorria. Quark batek kolore balio bakar bat izango du, ausazkoa dena.  Quarken kolore horiek, QCD-ren legeen ondorioz,  beste quarken koloreekin interakzioak sortzen dituzte.^[45]

Quarkak partikula bat osatzeko elkartzen direnean, sortutako partikula horrek kolore propietatea izango du ere, elkartutako quarken koloreen konbinazioaren ondorio dena. Hiru koloreen konbinazio desberdinez kargatutako quarken arteko erakarpen- eta aldarapen-sistemari interakzio bortitza deritzo, interakzio hau gluoi izeneko partikula subatomiko batek eragiten du.^[47]

Baldin partikula batek kolore mota baokitzetik kantitate bera badu, partikularen konfigurazio berezi horri, “kolore neutraltasuna” deritzo. Kolore neutroko bi partikulak erakarpen-indarra eragingo diote elkarri; aldiz, partikula biak ez badira kolore neutrokoak, aldarapen-indarra eragingo diote elkarri.

Masa

Bi kontzeptu erabiltzen dira quark baten masa adierazteko: batetik, aldiuneko quark-masa, berez, quark baten masari berari dagokiona; eta, bestetik, quark-masa osagarria, aldiuneko quark-masa eta quarkaren inguruko gluoi-partikulen eremuaren masaren batura^[47]. Masa horiek oso balio desberdinak izan ohi dituzte. Hadroi baten masa osagarri gehiena, quarkaren aldiuneko masatik etorri beharrean, quarkak elkartzen dituzten gluoietatik dator. Gluoiak, berez, masa gabekoak diren arren, energia daukate (kromodinamika kuantikoaren lotura-energia, hain zuzen) eta horrek asko laguntzen dio hadroiaren quarkaren masa osagarriari (erlatibitate bereziaren arabera energia eta masa baliokideak dira).

Adibidez, protoi batek (2u eta 1d quarkez osatua) gutxi gorabehera 938 MeV/c2-ko masa du. U quarkaren aldiuneko masa 2 MeV/c^2 ingurukoa da, eta d quarkarena 5 MeV/c^2 ingurukoa. Beraz, masa horretatik quarken aldiuneko masa 9 MeV/c2 baino ez da, gainerako masaren zati handi baten jatorria gluoien lotura-energia izanik.^[49][50]

Quarkak gluoietatik isolatzea oso zaila denez, quarkaren aldiuneko masa kalkulatzea oso zaila da eta, beraz, bere balioa ez da guztiz zehatza.

Tamaina

Kronodinamika kuantikoan, quarkak zero tamaina duten partikula puntualtzat hartzen dira. 2014. urtean lortutako froga esperimentalen arabera, quarkak ez dira 10⁻⁴  aldiz protoiaren tamaina baino handiagoak; esate baterako, 10⁻¹⁹ metro baino gutxiagoko tamaina izan dezakete.^[51]

• Partikulen fisika
• Funtsezko elkarreraginak
• Murray Gell-Mann
• Leon Max Lederman
• Preoi
• Partikulen fisikako eredu estandarra