Üleskvark (up-kvark): definitsioon, laeng ja roll prootonis

Up-kvark: definitsioon, laeng (+2/3), spinn ja roll prootonis — miks nad moodustavad prootoneid, neutroneid ning kujundavad tuuma ja elementaarosakeste struktuuri.

Up-kvargid on subatomaarsed osakesed, mis kuuluvad kvarkide hulka ja aitavad moodustada paljusid suuremaid osakesi, näiteks prootoneid. Up-kvarkide laeng on +2/3 e (kus e tähistab elementaarlaengut) ning nad on kvarkide kuuest tüübist (maitsest) üks kergemaid. Nagu kõigil fermioonidel, on ka up-kvarkidel spinn 1/2. Neile avaldavad mõju kõik neli fundamentaaljõudu, milleks on gravitatsioon, tugev jõud, nõrk jõud ja elektromagnetism. Nagu kõik kvarkid, on ka up-kvargid elementaarosakesed, mis tähendab, et neid peetakse hetkel jagamatuteks osakesteks.

Peamised omadused

• Laeng: +2/3 e.
• Spinn: 1/2 (fermion).
• Värvus: kvarkidel on kolmvärviline „värvuslaeng” (red/green/blue) – see on tugeva vastasmõju aluseks ja vahendatakse gluonide abil.
• Mass: up-kvargi oma-mass on väga väike võrreldes aatomitega – ligikaudu mõni MeV/c² (näitena sageli viidatakse väärtusele ~2 MeV/c², kuid see sõltub renormalisatsiooniskeemist ja energiaskaala määramisest).

Up-kvargid koos teiste kvarkidega hadronites

Prootonid (mille summaarne laeng on +1) koosnevad kahest ülespoole suunatud kvarkist (mille laeng on +2/3) ja ühest allapoole suunatud kvarkist (mille laeng on -1/3) — kokku (+2/3)+(+2/3)+(-1/3)=+1. Neutronid (mille summaarne laeng on 0) koosnevad ühest up-kvarkist ja kahest down-kvargist (uud → udd), nii et nende laeng kokku on null. Lisaks baryonitele moodustavad up- ja anti-up-kvargid koos teiste kvarkide ja anti-kvarkidega ka keerulisemaid osakesi, näiteks mesoneid: pioneid on lihtsaimad mesonid (näiteks π+ ≈ u anti-d).

Tugeva ja nõrga vastasmõju roll

Up-kvargi paiknemist hadronites hoiab koos tugev jõud, mis on kvantkromodünaamika (QCD) kaudu vahendatud gluonide poolt. Kvarkke on võimalik eraldada väga kõrgetel energiatel lühiajaliselt (asümptootiline vabadus), kuid ükski kvark ei ole kunagi eraldatuna leitud – nähtust nimetatakse kvargi kinnipidamiseks (confinement). Nõrk jõud võimaldab kvarkide üleminekut ühest maitsest teise: näiteks neutroni beeta-lagunemisel muundub üks allapoole suunatud kvark up-kvargiks, eraldades W- bosoni, mis laguneb edasi elektroniks ja antineutriinoks.

Täiendav kontekst: valents- ja merekvargid

Hadaroni omadusi ei määra ainult valentskvargid (need, mis annavad osakese laengu ja kvantarvud), vaid ka nn „sea” ehk merekvargid ja gluonid, mis tekivad kvantvälja kõikumistest. Näiteks prootonis on kaks valents-up-kvarki, kuid sisemine struktuur sisaldab hulgaliselt kvark–antikvark paare ja gluoneid, mis annavad suure osa hadroni massist ja dünaamikast.

Kuidas me teame up-kvarkidest?

Kvarkide olemasolu ja omadused tuvastati osakestefüüsika eksperimentide kaudu, eriti sügava inelastilise hajumise (deep inelastic scattering) katsete abil. Need andsid tõendeid, et prootonid ja neutronid ei ole punktmassiivsed, vaid koosnevad osakestest – kvarkidest ja gluonidest.

Kokkuvõte: up-kvark on fundamentaalne fermion, millel on laeng +2/3, spinn 1/2 ja mis osaleb tugevas, nõrkas, elektromagnetilises ja gravitatsioonilises vastasmõjus. See on üks põhikomponente prootonites ja neutronites ning oluline ehitusplokk kõigi tuumamaterjali käitumise mõistmisel.

Küsimused ja vastused

K: Mis on up-kvargid?

K: Milline on up-kvarkide laeng?

K: Kui palju on kvarke?

K: Milline on up-kvarkide spinn?

K: Millised fundamentaalsed jõud mõjutavad up-kvarkke?

K: Millest koosnevad prootonid?

K: Milliseid osakesi saab up-kvarkidest luua?

Otsing