Upkvarkar: Egenskaper, laddning och roll i protoner och neutroner

Lär dig om upkvarkars egenskaper, +2/3 laddning och deras avgörande roll i protoner och neutroner — enkel förklaring för vetenskapligt intresserade.

Uppkvarkar är subatomära partiklar som ingår i de partiklar som bygger upp större hadroner, till exempel protoner och neutroner. En up-kvark har en elektrisk laddning på +2/3 av elementarladdningen e och är den lättaste av de sex kvarkarterna (smakerna). Som alla kvarkar är up-kvarken en elementarpartikel och en fermion med spinn 1/2, vilket betyder att den följer Fermis uteslutningsprincip. Up-kvarkar påverkas av alla fyra grundläggande krafterna: gravitation, den starka kraften, den svaga kraften och elektromagnetism.

Egenskaper

• Laddning: +2/3 e (laddning).
• Spinn: 1/2 (fermion).
• Färg: Kvarkar bär en "färg" enligt kvantkromodynamiken (röd, grön eller blå); färgerna ansvarar för den starka växelverkan via gluoner.
• Massan: Den så kallade aktuella (MS̄bar) massan för up-kvarken är mycket liten, av ordningen några MeV/c^2 (några få MeV). I modeller för hadroner används ofta en större "konstituentmassa" (hundratals MeV) för att beskriva hur massan i en proton eller neutron uppstår.
• Antikvark: Anti-up-kvarken (ū) har motsatt elektrisk laddning, alltså −2/3 e, och motsatt färgladdning.

Roll i protoner, neutroner och andra partiklar

Protoner har total laddning +1 och består i kvarkmodellen främst av två uppåtriktade kvarkar (up-kvarkar, vardera +2/3) och en nedåtriktad kvark (down-kvark, −1/3): 2×(+2/3)+1×(−1/3)=+1. Neutroner (neutral laddning) består av en uppåtriktad kvark och två nedåtriktade kvarkar: +2/3 + 2×(−1/3)=0. Utöver dessa "valenskvarkar" finns även ett hav av virtuella kvark–antikvarkpar och gluoner (s.k. sea-quarks och gluonfält) som bidrar till partiklarnas massa och dynamik.

Up-kvarkar ingår inte bara i protoner och neutroner (baryoner) utan också i mer komplexa partiklar som mesoner (till exempel pioner), där en meson vanligtvis är ett kvark–antikvarkpar. Exempelvis kan en positiv pion bestå av en up-kvark och en anti-down-kvark.

Kraftutbyte, bindning och begränsningar

Den starka kraften mellan kvarkar förmedlas av gluoner och styrs av kvantkromodynamiken (QCD). Ett viktigt drag är att kvarkar är "konfinerade": de kan inte isoleras som fria partiklar under normala förhållanden. När man försöker separera kvarkar ökar den starka växelverkan så mycket att nya kvark–antikvarkpar skapas och bildar nya hadroner. En annan viktig egenskap är asymptotisk frihet: vid mycket höga energi/skal (mycket korta avstånd) växelverkar kvarkar svagare med varandra och beter sig nästan som fria partiklar.

Svaga och elektromagnetiska interaktioner

Via den svaga kraften kan kvarkar byta smak: ett exempel är beta‑sönderfall där en down‑kvark i en neutron omvandlas till en up‑kvark och därigenom omvandlar neutronen till en proton (d → u + e− + ν̄e). Eftersom up‑kvarken har elektrisk laddning deltar den även i elektromagnetiska processer.

Upptäckt och observation

Kvarkmodellen föreslogs 1964 av Murray Gell‑Mann och George Zweig. Experimentell bekräftelse för att protonens och neutronens inre struktur innehöll punktlika komponenter kom framför allt från djupinelastisk spridning vid SLAC på 1960– och 1970‑talen. Direkta observationer av fria kvarkar har inte gjorts; all evidens kommer från studier av hadroner och partikelkollisioner där kvarkarnas effekter och egenskaper kan härledas.

Sammanfattning

• Up‑kvarken är en lätt, elementarisk fermion med laddning +2/3 e och spinn 1/2.
• Den bär färgladdning och bindning genom gluoner gör att kvarkar aldrig påträffas fritt.
• Två up‑kvarkar och en down‑kvark bildar en proton; en up‑kvark och två down‑kvarkar bildar en neutron.
• Up‑kvarkar spelar en central roll i byggstenarna för atomkärnor och i många andra hadroner.

Frågor och svar

F: Vad är uppkvarkar?

F: Vilken laddning har uppkvarkar?

F: Hur många typer av kvarkar finns det?

F: Vad har uppkvarkar för spinn?

F: Vilka fundamentala krafter påverkar uppkvarkar?

F: Vad består protoner av?

F: Vilka partiklar kan uppkvarkar användas för att skapa?

Sök med bokstav