Võlu-kvark (c-kvark) — määratlus, omadused ja avastamine

Võlu-kvark (c-kvark) – määratlus, omadused ja avastamine: laeng, spinn, roll J/ψ- ja D-mesoonides ning mõju osakestefüüsika läbimurretele.

Autor: Leandro Alegsa

17-10-2025 21:46

Võlu-kvarkid ehk c-kvarkid on kuuest kvarkist kolmas kõige massiivsem. Nagu kõik kvarkid, arvatakse, et neid ei saa jagada ja nad on väga väikese mõõtmega — seetõttu peetakse neid elementaarosakesteks. Võlu-kvargi elektrilaeng on, sarnaselt up-kvarkidele, +2/3 (e = +2/3). Nad kuuluvad fermionide hulka ning seetõttu on nende fermionid-omadus ja spinniks 1/2. Võlu-kvark kannab ka värilaengut (kolme värvi seisundit), mis tähendab, et nad osalevad tugevas vastasmõjus ja ei esine vabalt lahti ühendatud osakestena (konfineerumine).

Omadused ja füüsikalised parameetrid

Võlu-kvargi mass pole täpselt määratletud üheselt nagu vabadel osakestel, kuna kvargid on konfineeritud; siiski on tavaliselt viidatud skaala- ja renormalisatsiooniskeemi sõltuv massiks umbes 1,27 GeV/c² (MSbar-skeem, ligikaudne väärtus, täpsemad väärtused sõltuvad mõõtmistest ja skeemist). Võlu-kvargi üldised omadused:

Elektrilaeng: +2/3 e.
Spin: 1/2 (fermion).
Värilaeng: kolmekordne (väritriplet), mis muudab nad tugevate vastasmõjude osalejateks.
Võlunumero (charm quantum number): c = +1 (kvargi olemasolu suurendab võlunumbriga arvestatavat väärtust).

Kus neid leidub ja kuidas tuvastatakse

Võlu-kvargid ei esine vabas olekus, vaid moodustavad hadroneid, s.o koosnevad kvargid-antkvargid või kvarkide kolmikud. Näideteks on:

Charmonium (c–ĉ paarid), näiteks J/ψ- ja ψ′-mesonid — need on c-kvargi ja antikvargi (c̄) seotud olekud.
D-mesonid (näiteks D⁰, D^±), kus c-kvark on koos kerge kvargiga.

Paljud sellised osakesed tekivad suurenergeetilistes kokkupõrgetes, eriti osakeste kiirendites, mis võivad aatomeid väga suurel kiirusel põrkama panna ja seeläbi toota raskemaid kvarke. Katsetes leitakse võlu-osakesi nii hadronkolliderites kui ka elektroni-positroni annihilatsioonis; J/ψ-erinevate seisundite korral on tavaline tuvastuskanal näiteks osakeste hargnemine paaridesse e+e− või μ+μ−, mis annab selge signaali detektoritele. Võlu-hadronite eluea hindamiseks mõõdetakse hajumisparameetreid ja hargnemiskanalite tõenäosusi — D-mesonide eluea suurusjärguks on tavaliselt ~10^−13 kuni 10^−12 s.

Avastamine ja teaduslik tähendus

Võlu-kvargi olemasolu kinnitus ja osakestes nagu J/ψ-mesooni ja D-mesonite avastamine tõstsid esile uusi läbimurdeid elementaarosakeste füüsikas. 1974. aasta avastusi, mida sageli nimetatakse novembrirevolutsiooniks, tegid sõltumatult kaks uurimisrühma ja need osalesid Oluliselt mõjutasid need arusaamist kvarkide arvust ning Standardmudeli edasiarendust. Avastused viisid kiiresti teoreetiliste ja eksperimentaalsete uurimiste süvenemiseni ning aitasid kinnitada GIM-mehhanismi (Glashow–Iliopoulos–Maiani), mis selgitas teatud sündmuste vähest esinemist läbi neutraalsete maitsevahetuste summutamise.

Miks võlu-kvark on oluline

Võlu-kvark on Standardmudeli oluline komponent: tema olemasolu selgitab paljusid nähtusi tugevate ja nõrkade vastasmõjude valdkonnas, võimaldab moodustada rikkaid charmed-hadronite spektrit ning annab katseteks puhta tööriista kvantkromodünaamika (QCD) ja nõrkade protsesside uurimiseks. Charmoniumi seisundid nagu J/ψ on eriti väärtuslikud, sest need toimivad “laborina” kvark–antikvark sidemete ja QCD-signaali uurimiseks ning on väärtuslikud võrdluseks teoreetiliste arvutustega.

Kuigi võlu-kvargid ei ole tavapärases ainemasises keskkonnas levinud, on nende uurimine tähtis, et mõista elementaarosakeste käitumist, kvarkide konfineerumist ja Standardmudeli piiranguid ning võimalikke uusi füüsikaallikaid väljaspool praegust mudelit.

Küsimused ja vastused

K: Mis on võlu-kvartal?

V: Charm-kvargid on üks kuuest kvarkide tüübist, mida peetakse elementaarosakesteks ja mida ei saa jagada. Nende laeng on +2/3 ja spinn 1/2.

K: Milline on võlu-kvarkide mass?

V: Võlukvarkid on kuuest kvarkist kolmandad kõige massilisemad.

K: Kus võib leida võlu-kvarkke?

V: Võlukvarki võib leida osakestest, mis on loodud osakeste kiirendites, näiteks J/ψ-mesoonidest, D-mesoonidest ja muudest võlutud osakestest.

K: Kas võlu-kvarkid on looduses tavalised?

V: Võlukvarkid ei ole väga levinud.

K: Milline on võlu-kvarkide ja J/ψ-mesonite avastamise tähtsus?

V: Sarmikvarkide ja J/ψ-mesoonide avastamine viis kiire teadusliku läbimurde seeria, mida tuntakse novembrirevolutsioonina.

K: Milline on võlu-kvarkide laeng?

V: Võlukvarkide laeng on +2/3, mis on sarnane up-kvarkidele.

K: Millised osakesi on võlu-kvarkid?

V: Charmkvarkid on fermionid, mis on osakesed, mida ei saa olla rohkem kui üks selline osake korraga samas kohas.

Otsige