Kummaline kvark (S-kvark): määratlus, omadused ja näited

Avasta kummaline kvark (S‑kvark): määratlus, ainulaadsed omadused, lagunemisviisid ja näited kaonitest ning hüperonitest — selge, põnev ja teaduspõhine ülevaade.

Kummalised kvarkid on kolmandaks kergeimad kvarkid, mis on subatomaarsed osakesed, mis on nii väikesed, et arvatakse, et neid ei ole võimalik jagada. Nagu down-kvarkidel, on ka kummalistel kvarkidel laeng -1/3. Nagu kõigil fermioonidel (mis on osakesed, mis ei saa olla korraga samas kohas), on ka kummalistel kvarkidel spinniks 1/2. Kummalised kvarkid erinevad allakvarkidest - lisaks sellele, et neil on 25 korda suurem mass kui allakvarkidel - selle poolest, et neil on midagi, mida teadlased nimetavad "kummalisuseks". Kummalisus on põhimõtteliselt vastupidavus lagunemisele tugeva jõu ja elektromagnetismi vastu. See tähendab, et iga osakese, mis sisaldab kummalist kvarki, ei saa laguneda tugeva jõu (või elektromagnetismi) tõttu, vaid hoopis palju aeglasema nõrga jõu abil. Arvati, et tegemist on "kummalise" lagunemisviisiga, mistõttu teadlased andsid osakestele selle nime.

Kummalisi kvarkke võib leida sellistes osakestes nagu kaonid ja mõned hüperonid. Teadlased hakkasid märkama veidrusi, kui need osakesed ei lagunenud nii kiiresti, kui nende massid oleksid eeldanud. Siiski võttis neil kaua aega, et isegi arvata, et kummalisus on vastus, sest selle ennustamine pärast kaoonide avastamist võttis üle 16 aasta.

Põhiomadused

• Sümbol: s (antikvark: s̄)
• Elektrilaeng: -1/3 e
• Spinn: 1/2 (fermion)
• Värilaeng: omab värilaengut nagu teised kvarkid (konfneerumine – vabu kvarke ei täheldata)
• Mass: sõltuvalt šablonist — praeguse (current) massi hinnang on umbkaudu 95 MeV/c2, samas kui koosneva (constituent) kvarki efektiivne mass hadronis võib olla suurem (sadu MeV). See teeb kummalisest kvargist märgatavalt raskema kui up- või down-kvark.
• Kummalisus (strangeness): kvarkil s on kvantnumber S = -1; anti-s ehk s̄ omab S = +1.

Miks nimetatakse "kummaliseks"?

Termin "kummalisus" (inglise keeles "strangeness") tekkis ajal, mil uurijad avastasid kaone ja hüperone — need tekkisid tugeva vastasmõju käigus, kuid lagunesid palju aeglasemalt kui teised tugevasti toodetud osakesed. Selle seletuseks toodi sisse uus konserveeruv suurus — kummalisus — mis on säilinud tugevas ja elektromagnetilises kaasamõjus, kuid võib muutuda nõrga jõu poolt. Praktiline tähendus: kummalisi kvarke sisaldavad osakesed peavad tugevas reaktsioonis tekkima paaris (nt s ja s̄), mis seletab nende ootamatut toodangu mustrit ja pikemat eluiga; neid lagunemisi juhib nõrk vaheosakeste vahetus, mis on palju aeglasem protsess kui tugev vastasmõju.

Tootmine ja lagunemine

• Tugevates kokkupõrgetes (nt hadronite kokkupõrked) sünnivad s ja s̄ paarid — see järgib kummalisuse konserveerumist tugeva vastasmõju puhul.
• Nõrk jõud võib muuta kummalisuse väärtust (ΔS ≠ 0), mistõttu kummalisi osakesi lagunevad nõrkade protsesside kaudu. See on põhjus, miks nende eluiga on tunduvalt pikem kui puhtalt tugeva vastasmõjuga seotud osakestel (näiteks tugeva vastasmõju protsesside iseloomulik ajaskaala ~10^-23 s, kummaliste osakeste eluajad on sageli ~10^-10–10^-8 s või kauem juhtudel nagu K0_L).

Näited osakestest, mis sisaldavad kummalist kvarki

• Kaonid (K) — meenutavad, et need sisaldavad s-või s̄-kvarki koos up- või down-kvargiga (näiteks K+ = u s̄).
• Hüperonid — baryonid, kus üks või mitu konstituentkvarki on kummalised (näiteks Λ⁰, Σ, Ξ ja Ω⁻; viimane koosneb kolmest s-kvargist: sss).
• φ-meeson (φ = s s̄) — näide puhtast kummaliste kvarkide paarist.
• Mitmed eksperimentaalsed uudiskujud ja resonantsid, samuti „meri” (sea) kummalised kvargid nukleonites, mis mõjutavad tuumaomadusi ja paradokse nagu nukleoni kummalisuse panus momentidele.

Lühike ajalooülevaade

Kaonide ja hüperonite „kummaline” käitumine märgati 1940.–1950. aastatel. Selle nähtuse selgitamiseks tõid teoreetikud nagu Nishijima ja hiljem Murray Gell‑Mann sisse kummalisuse mõiste ning 1964. aastal pakkusid Gell‑Mann ja George Zweig quarkimudelit, mis sisaldas u, d ja s kvarki. See selgitas paljusid hadronite omadusi ja kuidas erinevad kvarkid moodustavad kogu hadronite tabeli (nt baryonide ja mesonide rühmad SU(3) sümmeetrias).

Miks see on oluline tänapäeval?

Kummalised kvargid ja nendega seotud osakesed on oluliseks tööriistaks tugeva ja nõrga vastasmõju uurimisel, CP‑rikete ja fundamentaalsete sümmeetriate mõistmisel (nt kaonide süsteemis leitud CP‑rikete uurimine). Lisaks mängib kummalisus rolli ka teoreetilistes uurimustes tiheda materjali, näiteks võimaliku „kummalise kvarkide” olemasolu mõnedes astrofüüsikalistes tingimustes (kummaline tuum, kummaline täht) puhul.

Märkused: näitajad nagu kvarkide massid võivad sõltuda meetodist (praegune mass vs. koosneva kvargi mass hadronis) ja täpsed väärtused ajas täienevad, kuna eksperimentaalsed ja teoreetilised meetodid paranevad.

Küsimused ja vastused

K: Mis on kummalised kvarkid?

K: Mille poolest erinevad kummalised kvarkid allakvarkidest?

K: Mis on kummalisus?

K: Millistes osakestes leidub kummalisi kvarkke?

K: Millal hakkasid teadlased märkama veidrusi?

K: Miks andsid teadlased neile osakestele nime "kummaline"?

K: Kui kaua kulus teadlastel pärast kaonide avastamist veidruse ennustamiseks?

Otsing