Kwarkowy model hadronów

W 1964 roku Gell-Mann i Zwieg niezależnie od siebie zauważyli, że znane wówczas oktety i dekuplety hadronów można prosto odtworzyć przyjmując istnienie trzech bardziej elementarnych składników o odpowiednio dobranych cechach. Owe składniki nazwano kwarkami. Na początku zapostulowano istnienie kwarków, które nazwano:

- górny u (od ang. up);

- dolny d (od ang. down);

- dziwny s (od ang. strange).

Każdy z kwarków posiada odpowiadający mu antykwark. Antykwarki oznaczono odpowiednio symbolami:  ,  oraz . Kwarki mają spin s = 1/2. Ich wyjątkowość polega na konieczności przypisania im liczby barionowej B = 1/3 oraz ułamkowych wartości ładunków elektrycznych.

Kwark	Masa	Ładunek elektryczny Q	B	S	Spin
u	5	+2/3	1/3	0	1/2
d	10	-1/3	1/3	0	1/2
s	200	-1/3	1/3	-1	1/2
	5	-2/3	-1/3	0	1/2
	10	+1/3	-1/3	0	1/2
	200	+1/3	-1/3	-1	1/2

Tabela: Zestawienie podstawowych własności trzech najwcześniej odkrytych kwarków.

Masy kwarków to wielkości w zasadzie trudne do określenia ze względu na to, że pojedynczych kwarków nie można wyodrębnić. Można jedynie szacować górną granicę tych mas na podstawie wyznaczonych mas hadronów (zwłaszcza mezonów). W różnych źródłach autorzy podają dość różne wielkości lub nawet unikają liczbowych wartości mas kwarków.

Kwarki górny, dolny oraz dziwny tworzą tryplet supermultipletowy:

Rys.1. Tryplet kwarków.

 Jak było wspomniane w rozdziale drugim zasady budowania hadronów z kwarków są bardzo proste. Bariony składają się z trzech (dowolnych) kwarków, natomiast mezony zbudowane są z pary kwark – antykwark. Tworząc wszystkie możliwe grupy trzech kwarków u, d i s oraz znając sumy ich ładunków elektrycznych i dziwności możemy wyznaczyć następujące bariony:

Grupy o liczbie barionowej B = 1	Dziwność	Ładunek elektryczny Q	Bariony
uuu	0	+2
uud		+1	,
udd		0	,
ddd		-1
uus	-1	+1
uds		0	,
dds		-1
uss	-2	0
dss		-1
sss	-3	-1

Tabela: Możliwe kombinacje kwarków u, d i s w barionach.

 Supermultiplety ośmiu i dziesięciu barionów, które przedstawiono w poprzednim rozdziale, są generowane przez układ kwarków w następujący sposób:

Rys. 2. Generacja układu kwarków w oktet i dekuplet barionowy.

Każdemu kwarkowi odpowiada odpowiedni antykwark, który ma taką samą masę i spin, ale którego ładunek i dziwność mają znak przeciwny. Trzy zgrupowane ze sobą antykwarki dadzą dekuplety i oktety antybarionowe.

Połączenia pojedynczego kwarku z antykwarkiem da natomiast kombinacje mezonów:

Grupy o liczbie barionowej B = 0	Dziwność	Ładunek elektryczny Q	Mezony
	+1	+1
		0
	0	+1
		0	,
		-1
	-1	-1
		0

Tabela: Możliwe kombinacje kwarków i antykwarków w mezonach.

 
Układy par kwark – antykwark generują oktet mezonów w następujący sposób:

Rys. 3. Generacja układu kwarków w oktet mezonowy.

Nie ma mezonów, dla których dziwność byłaby równa -2, podczas gdy istnieją takie bariony. Stany o dziwności -1 mogą mieć ładunek +1 w przypadku barionów, ale w przypadku mezonów nie może zajść taka sytuacja.

Z dotychczasowych rozważań nad składem kwarkowym mezonów oraz barionów wynika, że dla mezonów możliwe są tylko spiny, które równe są 0 lub 1, zaś dla barionów spiny równe są 1/2 lub 3/2. W latach 70-tych XX wieku odkryto mezony o spinie s > 1 oraz bariony z s > 3/2. Nasunął się więc po 1mysł, że kwarki poruszają się względem siebie ruchem orbitalnym. Całkowity spin układu hadronowego to rezultat dodawania spinów poszczególnych kwarków oraz ich wzajemnych orbitalnych momentów pędu. Całkowity spin hadronu jest więc tym większy, im ważniejszą rolę odgrywa ruch orbitalny kwarków. Kwarki, których ruch orbitalny odbywa się szybko, niosą więcej energii niż te, które krążą powoli. Zatem energia lub masa hadronu o dużym spinie jest na ogół większa, niż masa hadronów o spinach małych.

Symetria kwarkowo - leptonowa
Kolor
Gluony