***Kvarková hypotéza

Zatímco leptony jsou částice, u nichž zatím nebyla zjištěna vnitřní struktura, o hadronech se předpokládá, že jsou složeny z kvarků.

Pojem kvark zavedli do fyziky americký fyzik Murray Gell-Mann (narozen 1929, Nobelova cena v roce 1969) a americký fyzik ruského původu Georg Zweig (narozen 1937) roku 1963 na základě románu Angličana Jamese Joyce, kde slovo kvark znamenalo cosi jako „nesmysl“.

Dosud se předpokládá existence šesti základních vůní kvarků s těmito náboji:

1. d - down (dolů): ;

2. u - up (nahoru): ;

3. s - strange (podivný): ;

4. c - charm (půvabný): ;

5. b - beauty (krásný): ;

6. t -truth (pravdivý): .

Také kvarky uvnitř hadronů musí být v určitých kvantových stavech a musí se podřizovat Paulimu vylučovacímu principu. Tyto stavy se vyjadřují různými barvami kvarků:

1. červenou;

2. žlutou;

3. modrou.

Uvedené charakteristiky nemají s barvou těles nebo barvou světla nic společného! Tyto pojmy je nutné chápat jen jako názvy pro vlastnosti, které nemají v makrosvětě obdobu.

Vzhledem k tomu, že kvarková teorie byla zpočátku přijímána s určitými rozpaky, možná že právě proto fyzikové zvolili tak absurdní názvy pro vlastnosti kvarků.

Antikvarkům se pak připisují barvy doplňkové, tj.:

1. azurová (modrozelená);

2. modrá;

3. žlutá.

Podle kvarkové teorie jsou tvořeny:

1. mezony M vždy jedním kvarkem Q a jedním antikvarkem : ;

2. baryony B třemi kvarky: ;

3. antibaryony třemi antikvarky: .

Tomuto složení hadronů odpovídají i pozorované vlastnosti částic (hodnota náboje, spin, ….). Složení některých částici: , , , …

Odtud je zřejmé, že částice látky (tedy nukleony) lze vytvořit pouze z kvarků u a d. Zbývající čtyři kvarky se podílejí na stavbě „luxusních“ částic. Analogická je situace u leptonů: k popsání běžné látky by stačily také leptony dva (elektron a elektronové neutrino). „Luxusní“ rodiny elementárních kvarků a leptonů vznikají při procesech, na nichž se výrazně podílí slabá jaderná interakce.

Vlastnosti kvarků v porovnání s leptony jsou shrnuty v tab. 8. Na stejném řádku jsou částice, které si určitým způsobem odpovídají. V tab. 8 jsou shrnuty vlastnosti částic, které se podílejí na stavbě hmoty - tj. fermionů.

Předpokládáme, že samostatně mohou existovat pouze částice bílé (tj. „nebarevné“). Hadrony složené z kvarků se tedy musí podle pravidel skládání barev jevit jako bílé. Proto se baryony skládají ze tří kvarků, z nichž má ale každý jinou barvu. Barva mezonů, které jsou složeny z páru kvark - antikvark, se ale v delším časovém období spojitě mění. Za dostatečně dlouhou dobu se tedy každá ze tří barev vyskytuje v mezonu s pravděpodobností 1:3. V dlouhodobém pozorování se tedy i mezony jeví jako bílé.

Silné interakce působící mezi hadrony můžeme převést na působení mezi kvarky. Zprostředkovávají je částice zvané gluony (glue = lepidlo, klíh), které při silovém působení přenášejí barvu z kvarku na kvark. U silných interakcí hraje tedy barva podobnou roli jako elektrický náboj u elektromagnetických interakcí, a proto se tato teorie nazývá kvantová chromodynamika (chroma = barva).

Kvarky nebyly dosud pozorovány jako izolované objekty. Zůstávají uvězněny v hadronech a jakýkoliv pokus o jejich vytržení vede jen k vytvoření dalších hadronů.

Naději vkládají fyzikové do experimentů na urychlovači částic LHC v CERNu, ve kterých by chtěli kvarky detailněji prozkoumat.

Systematika kvarků je poměrně složitá. Kvarky se vyskytují v šesti vůních a každá vůně ve třech barvách. Započítáme-li ještě i antikvarky, máme 36 možností, jak mohou být vytvořeny hadrony. Mezi fyziky se vyskytují i názory, že ani kvarky nejsou tím nejelementárnějším stavebním kamenem hmoty a že lze jít ještě hlouběji do nitra kvarků.

Vůně			Náboj		Vůně			Náboj
	elektronové neutrino		0		u	up	0,003
e	elektron	0,000511	-1		d	down	0,006
	mionové neutrino	<0,0002	0		c	charm	1,3
	mion	0,106	-1		s	strange	0,1
	tauonové netrino	<0,02	0		t	top	175
	tauon	1,777	-1		b	bottom	4,3

tab. 8

V tab. 9 jsou shrnuty vlastnosti částic, které se podílejí na přenosu silových interakcí - tj. bosonů.

Elektroslabá interakce				Silná interakce
Název		Elektrický náboj		Název		Elektrický náboj
foton	0	0		gluon	0	0
	80,4	-1
	80,4	1
	91,188	0

tab. 9

Veškerou pestrost materiálního světa lze v principu vysvětlit na základě schématu na obr. 212.

Systém silových interakcí, leptonů, kvarků a bosonů, které zprostředkovávají silové interakce, se nazývá standardní model. Tento model byl vytvořen teoreticky a od dob svého vzniku je postupně potvrzován na urychlovačích částic. Bosony , a byly objeveny na urychlovači LEP v CERNu, o kvarcích by se fyzikové rádi dozvěděli více pomocí urychlovače LHC, který se stal nástupcem urychlovače LEP.

Obr. 212