Kvarkki
Rakenne	alkeishiukkanen
Perhe	fermioni
Vuorovaikutus	gravitaatio , heikko vuorovaikutus , vahva vuorovaikutus , sahkomagneettinen vuorovaikutus
Loydetty teoreettisesti	1964 , Murray Gell-Mann ja George Zweig
Sahkovaraus	u, c, t: +2/3 e d, s, b: ?1/3 e
Varivaraus	punainen, sininen tai vihrea
Spin	1/2
Infobox OK

Hiukkasfysiikassa kvarkit ovat alkeishiukkasia , joita ei taten voida jakaa enaa pienempiin hiukkasiin. Kvarkit muodostavat hadroneja , joista yleisesti tunnetuimmat ovat nukleonit eli protoni ja neutroni . Kvarkkien olemassaolo postuloitiin ensimmaisen kerran vuonna 1964, kun Murray Gell-Mann ja George Zweig ehdottivat, etta hadronit ovat pienempien alkeishiukkasten yhdistelmia. He kutsuivat naita hiukkasia kvarkeiksi. ^[2]

Vaikka kvarkit keksittiin alun perin teoreettisista syista selittamaan loydettyjen hadronien ominaisuuksia, joiden mukaan ne voitiin jakaa ryhmiin, niin kaikki kvarkit on sittemmin havaittu hiukkas­kiihdyttimissa . Huippukvarkki ( engl. top quark ) loydettiin viimeisena 23. huhtikuuta 1994.

Kvarkit vuorovaikuttavat vahvan vuorovaikutuksen kautta. Tata luonnehtiva varaus on varivaraus . Ydinvoimat, joilla protonit ja neutronit ovat sitoutuneet toisiinsa atomi­ytimissa , ovat kvarkkeja toisiinsa sitovan varivoiman jaannosvoimia. Matemaattisesti erikoista on, etta kvarkkien sahkovaraus ei ole alkeisvarauksen monikerta, vaan alkeisvarauksen murto-osa. Jokaista kvarkkityypia kohden on olemassa vastaava antikvarkki , jolla on vastakkainen kvanttiluku kuin sita vastaavalla kvarkilla.

Nimitys ”kvarkki” on peraisin James Joycen kryptisesta teoksesta Finnegans Wake :

≫ Three quarks for Muster Mark!
Sure he has not got much of a bark
And sure any he has it's all beside the mark. ≫

Tasta Murray Gell-Mann poimi termin nimeksi keksimilleen, tuolloin viela hypoteettisille alkeishiukkasille.

Yksittaisten kvarkkityyppien nimet ovat mielivaltaisesti keksittyja; kvarkkityyppien ominaisuudet eivat millaan tavoin vastaa nimitysten kayttoa arkielamassa: ylos (up), alas (down), outo (strange), lumo (charm), pohja (bottom) ja huippu (top). Kahta viimeista kvarkkia kutsutaan myos nimilla kauneus (beauty) ja totuus (truth). Tarinan mukaan kolme ensimmaisena loydettya kvarkkia tunnettiin fyysikoiden keskuudessa alun perin nimilla suklaa , mansikka ja vanilja . ^[3] Kvarkkilajeista onkin kaytetty myos nimitysta maku. ^[4]

Kvarkeista muodostuvia hiukkasia kutsutaan hadroneiksi , jotka puolestaan voidaan jakaa baryoneihin ja mesoneihin siten, etta baryonien spin on puoliluku, mesonien kokonaisluku. Vuonna 2006 erilaisia hadroneja tunnettiin jo satoja, joista useimmat eivat tosin ole vakaita. ^[5]

Jo 1960-luvun alussa fyysikot olivat kyenneet tuottamaan useita eksoottisia, hyvin lyhytikaisia hiukkasia. Vuonna 1963 Murray Gell-Mann ja Yuval Ne'eman havaitsivat, etta naita hiukkasia oli mahdollista ryhmitella saannonmukaisesti kolmen kvanttiluvun , spinin , isospinin ja outouden perusteella. Tulokseksi saadaan kahdeksan hiukkasen oktetteja seka kymmenen hiukkasen dekupletteja. Vuonna 1964 Gell-Mann ja George Zweig keksivat toisistaan riippumatta, etta ryhmittely voitaisiin selittaa, jos kukin hiukkanen rakentuisi kahdesta tai kolmesta pienemmasta hiukkasesta ja/tai sellaisen antihiukkasesta. ^[5] Tarve saada baryoneille todennetuksi sisarakenne kumpusi myos toisesta suunnasta, silla neutronilla oli havaittu olevan magneettinen momentti . Neutroni on sahkoisesti neutraali, joten magneettisen momentin selittamiseksi neutronin taytyisi muodostua jonkinlaisista varauksellisista hiukkasista, joiden varaukset kuitenkin kumoavat toisensa kokonaisuutena. ^[6]

Kvarkkimalli ei perustu pelkkaan paattelyyn, vaan matemaattisesti sen pohjana on symmetriaryhman SU(3) kaytto. Teoriassaan Gell-Mann kykeni sen avulla muodostamaan aaltofunktiot kaikille tuolloin tunnetuille hadroneille. ^[6]

Alkuperaisessa, vuoden 1964 kvarkkimallissa oli kolme kvarkkia: ylos- eli u-kvarkki , alas- eli d-kvarkki seka outo- eli s-kvarkki seka naiden antikvarkit. Ylos- ja alas-kvarkkien nimet johdettiin isospinista, silla jos u-kvarkki vastaa isospinin ylos-komponenttia ja d-kvarkki alas-komponenttia ja jos protonin kvarkkikoostumus on uud ja neutronin udd , naiden hiukkasten isospinit saadaan selitettya. Kolmas kvarkki eli outo-kvarkki tarvittiin selittamaan kaonien ja eraiden baryonien omituisen hidas hajoaminen. Naita hiukkasia syntyy helposti protonien tormayksissa vahvan voiman aiheuttamina, mutta niiden hajoaminen kestaa jopa 10 ¹³ kertaa kauemmin kuin pitaisi. Selitykseksi hitaalle hajoamiselle kehitettiin ylimaarainen kvanttiluku, jota alettiin kutsua outoudeksi. Hiukkasen outous sailyy vahvan vuorovaikutuksen reaktioissa, muttei heikon vuorovaikutuksen reaktioissa. Taman mukaisesti, jos hiukkasen rakenteeseen kuuluu outo-kvarkkeja eli niiden outous poikkeaa nollasta, kevyimpien outojen hiukkasten on ikaan kuin jaatava odottamaan hajoamista hitaammin vaikuttavan heikon vuorovaikutuksen kautta, koska hajoaminen kevyemmiksi hiukkasiksi ei vahvan vuorovaikutuksen kautta ole mahdollista. ^[5] Osoittautui, etta nailla kolmella kvarkilla pystyttiin paitsi selittamaan kaikkien tuolloin tunnettujen hadronien ominaisuudet, myos ennustamaan viela loytymattomia hiukkasia. Merkittava lapimurto oli kvarkkimallista ennustetun Ω ^- -baryonin loytyminen. ^[6]

Ongelmana kvarkkimallissa oli, etta spin-1/2-hiukkasina kvarkit ovat fermioneja , jolloin niita koskee Paulin kieltosaanto . Kieltosaannon mukaan samassa tilassa ei voi olla kahta fermionia, joiden kvanttiluvut ovat samat. Eraat hiukkaset nayttivat kuitenkin rikkovan tata saantoa, kuten Δ ⁺⁺ , jonka kvarkkirakenne on uuu . Ongelman selitti Oscar Greenberg ottamalla kayttoon variksi kutsutun kvanttiluvun, jolla voi olla kolme eri tilaa. Jos kullakin Δ ⁺⁺ -hiukkasen u-kvarkilla on eri vari, yksi niiden kvanttiluvuista on erilainen, Paulin kieltosaanto jaa rikkoutumatta ja hiukkasen olemassaolo saa selityksen. ^[6]

Neljannen kvarkin olemassaoloa alettiin pohtia, kun James Bjorken ja Sheldon Glashow huomasivat kvarkkimallin siistiytyvan, jos kvarkit muodostaisivat kahden kvarkin pareja tuolloin tunnettujen neljan leptonin tapaan. Tata s-kvarkin oletettua paria alettiin kutsua lumo- eli c-kvarkiksi . C-kvarkin loytaminen kokeellisesti palkittiin Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1976 ^[7] . Sen avulla kyettiin selittamaan c-kvarkin sisaltavien hiukkasten hajoamisprosessit hieman samaan tapaan kuin s-kvarkin avulla. Kun viela tau-leptonin loytymisen jalkeen havaittiin, etta leptonit muodostavatkin kolme hiukkasparia, oli luontevaa, etta kvarkitkin muodostaisivat kolme paria. Vuonna 1973 Makoto Kobayashi ja Toshihide Maskawa ennustivat kolmannen kvarkkiparin, b- ja t-kvarkkien olemassaolon. Nama kaksi varsin suurimassaista kvarkkia loydettiin kokeellisesti vasta vuosina 1977 ja 1995. ^[6] Kobayashi ja Maskawa saivat ennusteesta Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 2008. ^[8]

Kvanttiluvut ovat ominaisuuksia, jotka yksiloivat kunkin hiukkasen. Hadroneita luonnehtivista kvanttiluvuista ensimmaisina tunnettiin spin , isospin ja outous , joiden perusteella hadronit keksittiin jakaa kahdeksan hiukkasen oktetteihin tai kymmenen hiukkasen dekupletteihin, mika puolestaan johti kvarkkimallin syntyyn. Baryonin muodostaa kolme kvarkkia ja antibaryonin kolme antikvarkkia. Mesonit ja antimesonit puolestaan koostuvat yhdesta kvarkista ja yhdesta antikvarkista.

Myohemmin, kun kvarkkeja loytyi lisaa, saatiin viela kolme uutta kvanttilukua: lumo , kauneus ja totuus . Taman lisaksi kvarkeilla on oma spininsa, joka on aina 1/2 seka baryoniluku , joka on aina 1/3. Kvarkin ja antikvarkin kvanttiluvut ovat toistensa vastalukuja ^lahde? .

Kaikilla kvarkeilla on viela ylimaarainen kvanttiluku, jota kutsutaan variksi . Kukin kvarkki voi esiintya jossakin kolmesta mahdollisesta varista ja anti­kvarkeilla on toiset kolme mahdollista arvoa, anti­varit . Nailla kvarkkien "vareilla" ei kuitenkaan ole mitaan tekemista arkielamassa vareiksi kutsuttavien optisten ilmioiden kanssa. Baryoneissa on kaikki eri kvarkkivarit, jolloin ne kumoavat toisensa, mesonissa taas vari ja antivari. Taman vuoksi vapaina esiintyvat hadronit ovat aina "varittomia". Yksittaisen kvarkin varia ei voida maarittaa, silla vari vaihtuu koko ajan ^lahde? .

Hiukkasen sahkovarausta, isospinia ja sen muodostavien kvarkkien kvanttilukuja sitoo yhteen tarkea Gell-Mannin–Nishijiman kaava :

${\displaystyle Q=I_{3}+{\frac {B+S+B'+C+T}{2}}}$,

missa Q on sahkovaraus, I ₃ isospinin z-komponentti, B baryoniluku, S outous, B' kauneus, C lumo ja T totuus. Kaavalla on suuri merkitys vahvan vuorovaikutuksen valittamissa reaktioissa, silla kaikki sen suureet ovat talloin sailyvia. ^[5]

Nimi	Varaus	Arvioitu massa ( MeV )	Isospin	Outous	Lumo	Kauneus	Totuus
Ylos (u)	+2/3	1,5...4,5 1	+1/2	0	0	0	0
Alas (d)	?1/3	5...8,5 1	?1/2	0	0	0	0
Lumo (c)	+2/3	1 000...1 400	0	0	1	0	0
Outo (s)	?1/3	80...155	0	?1	0	0	0
Huippu (t)	+2/3	178 000 ± 4 300	0	0	0	0	1
Pohja (b)	?1/3	4 000...4 500	0	0	0	?1	0

1. Massojen arviot ovat kiistanalaisia. On ehdotettu etta u-kvarkki olisi lahes massaton. ^[9]

Kvarkit ovat sirontakokeiden perusteella lahes pistemaisia. Hadronin sisalla niilla on vahva vuorovaikutus , joka valittyy gluonien avulla. Vahva vuorovaikutus on sikali erikoinen, etta se kasvaa etaisyyden suhteessa. Lahella toisiaan kvarkit voivat liikkua lahes vapaasti, kaukana toisistaan ne ovat hyvin vaikeasti tyonnettavissa poispain toisistaan. Vapaita kvarkkeja ei ole havaittu. ^[10]

Yli 170 MeV :n lampotilassa, joka vallitsi kvarkkiepookkina maailmankaikkeuden alkuhetkilla, kvarkit ja gluonit kuitenkin muodostivat kvarkki-gluoniplasmaa , jossa kvarkit olivat vapaita. Samoin oletetaan olevan kvarkkitahdissa . ^[11]

Kvarkkien ei uskota koskaan esiintyvan yksittain, vaan aina kahden tai kolmen ryhmissa. Tata ilmiota kutsutaan kvarkkien vankeudeksi. Uskomukselle on vahva kokeellinen naytto, silla yhdessakaan vuoden 1977 jalkeen suoritetussa kokeessa ei ole havaittu yksittaista kvarkkia. Sen sijaan tiedetaan, etta jos vaikkapa mesonista yritetaan vetaa sen sisaltamat kvarkki ja antikvarkki erilleen, tehdaan hiukkasten valiseen varivoimakenttaan lopulta niin paljon tyota, etta kentasta voi materialisoitua uusi kvarkki-antikvarkkipari. Nain kahden erillisen kvarkin sijaan saadaan aikaan energiasta materialisoitunut uusi mesoni. ^[5]

Kvarkkien vankeuden yksityiskohdat ovat osittain tuntemattomia. Sen aihepiiri on aktiivisen tutkimuksen kohde. ^[5]

• Gell-Mann, Murray:  Kvarkki ja jaguaari: Seikkailuja yksinkertaisessa ja monimutkaisessa . (Alkuteos: The quark and the jaguar, 1994.). Suomentanut Ritva ja Tapio Tuomi. Helsinki: WSOY, 1996. ISBN 951-0-20464-1 .

• Hawking, Stephen W.:  Ajan lyhyt historia . (Alkuteos: The Illustrated A Brief History of Time, 1996.) Tarkistettu ja taydennetty, kuvitettu laitos. Suomentanut Risto Varteva. Helsinki: WSOY, 2000. ISBN 951-0-19440-9 .

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Kvarkki Wikimedia Commonsissa