Konstiga kvarkar — vad de är, egenskaper, massa och upptäckt

Upptäck mystiken bakom konstiga kvarkar: deras egenskaper, massa, "strangeness" och upptäckt — en tydlig och engagerande guide för fysikintresserade.

Konstiga kvarkar är de tredje lättaste kvarkarna, som är subatomära partiklar som är så små att de tros inte kunna delas upp. Liksom nedre kvarkar har konstiga kvarkar en laddning på -1/3. Liksom alla fermioner (som är partiklar som inte kan existera på samma plats samtidigt) har strange quarks ett spin på 1/2. Det som gör att konstiga kvarkar skiljer sig från nedre kvarkar - förutom att de har 25 gånger större massa än nedre kvarkar - är att de har något som forskarna kallar "strangeness". Strangeness är i princip ett motstånd mot sönderfall mot stark kraft och elektromagnetism. Detta innebär att en partikel som innehåller en konstig kvark inte kan sönderfalla på grund av stark kraft (eller elektromagnetism), utan istället med den mycket långsammare svaga kraften. Man trodde att detta var en "märklig" metod för sönderfall, vilket är anledningen till att forskarna gav partiklarna det namnet.

Märkliga kvarkar kan hittas i partiklar som kaoner och vissa hyperoner. Forskarna började lägga märke till det märkliga när dessa partiklar inte sönderföll lika snabbt som deras massa skulle ha gjort. Det tog dock lång tid för dem att ens gissa sig till att det var konstigt eftersom det tog över 16 år att förutsäga det efter upptäckten av kaoner.

Egenskaper och kvanttal

Konstiga kvarkar betecknas oftast med symbolen s (från engelska "strange"). Några viktiga egenskaper:

• Laddning: -1/3 e (elementarladdningar).
• Spin: 1/2 (fermion).
• Färg: bär färgladdning i kvantkromodynamiken (QCD) — vanligtvis talar man om tre "färger" för kvarkar).
• Strangeness (stränghetskvanttal): en smakspecifik kvantstorhet. En konstig kvark har strangeness S = −1, medan en antikonstig (s-bar) har S = +1. Strangeness är bevarad i starka och elektromagnetiska processer men inte i svaga växelverkningar.

Massa — vad betyder "25 gånger tyngre"?

Massa hos kvarkar anges på olika sätt beroende på om man menar nuvarande (current) kvarkmassa eller konstituentmassa (effektiv massa i hadroner). Appropå siffror:

• Nuvarande massa för s‑kvarken: ungefär 95 MeV/c² (med osäkerheter i storleksordningen några MeV).
• Nuvarande massa för d‑kvarken (ned): ungefär 4–5 MeV/c². Det ger förhållandet i storleksordningen ~20–25 gånger tyngre för s jämfört med d, vilket förklarar den förenklade jämförelsen i ursprungstexten.
• Konstituentmassor: när kvarkarna är bundna i hadroner brukar man tala om större effektiva massor (t.ex. ~300–500 MeV för upp/ner/konstituent s), vilket speglar dynamisk massbildning i QCD.

Var finns konstiga kvarkar — exempel på partiklar

Konstiga kvarkar ingår i många typer av hadroner:

• Kaoner (K): mesoner som innehåller en konstig kvark eller antikonstig, till exempel K+, K0, K−. Kaoner var de första partiklarna som uppvisade den långa livstiden som ledde till introduktionen av strangeness.
• Hyperoner: baryoner som innehåller en eller flera konstiga kvarkar, till exempel Λ (uds), Σ (uus/uds/dds), Ξ (dss/uss) och Ω− (sss).

Varför lever de "längre"?

Tidskalan för starka växelverkningar är extremt kort, av ordningen 10⁻²³ sekunder. Partiklar som endast kan sönderfalla via starka eller elektromagnetiska växelverkningar sönderfaller därför mycket snabbt. När en partikel innehåller en konstig kvark innebär bevarandet av strangeness att starka och elektromagnetiska sönderfall ofta är förbjudna — sönderfallet måste ske via svaga växelverkningar, som är mycket långsammare. Det förklarar de avvikande, relativt långa livstiderna hos kaoner och många hyperoner (t.ex. kaonernas livstider ligger i storleksordningen 10⁻⁸–10⁻⁸ s medan en typisk stark process sker på 10⁻²³ s).

Historia och upptäckt

Kaoner upptäcktes i kosmiska strålningar i slutet av 1940‑talet (Rochester och Butler 1947) och deras oväntat långa livstider var länge ett mysterium. För att förklara varför vissa partiklars sönderfall tycktes vara "förbjudna" i starka processer infördes begreppet strangeness i början av 1950‑talet (arbete av t.ex. Murray Gell‑Mann och Kazuhiko Nishijima). Kvarkmodellen i sin moderna form föreslogs 1964 (Murray Gell‑Mann och George Zweig) och konstiga kvarkar ingick som en av de fem (senare sex) kvarksmakerna. Under senare decennier har många experiment (acceleratorer, djupa inelastiska spridningar, e+e−‑annihilationer, neutrinoexperiment) bekräftat de egenskaper som tillskrivs s‑kvarken.

Moderna tillämpningar och intressanta samband

• Tungjonkollisioner och kvark‑gluonplasma (QGP): produktion av konstiga kvarkar och en ökning av "strangeness" i slutliga hadroner används som en signal för bildandet av QGP i tunga jonkollisioner.
• CP‑brott i kaonsystemet: kaonsystemet var centralt i upptäckten av CP‑brott 1964, vilket hade stora konsekvenser för förståelsen av symmetrier i naturen.
• Astrofysik: i teoretiska modeller av extremt täta objekt (såsom neutronstjärnor) kan konstiga kvarkar spela en roll — det finns spekulationer om så kallade strange stars eller stabilt "strange quark matter". Dessa idéer undersöks fortfarande teoretiskt och experimentellt.

Sammanfattning

Konstiga kvarkar (s‑kvarkar) är en grundläggande kvarksmak med laddning −1/3 och spin 1/2. De skiljer sig främst från lättare kvarkar genom sin större massa och genom att bära strangeness, vilket gör att hadroner som innehåller dem ofta inte kan sönderfalla genom starka eller elektromagnetiska processer utan istället via den svaga kraften — och därför lever mycket längre än motsvarande partiklar utan konstiga kvarkar. Deras upptäckt och tolkning har varit viktig för utvecklingen av partikelteorin och spelar fortfarande en central roll i dagens forskning inom högenergifysik och astrofysik.

Frågor och svar

F: Vad är främmande kvarkar?

F: Hur skiljer sig strange quarks från down quarks?

F: Vad är strangeness?

F: I vilka partiklar finns strange quarks?

F: När började forskare lägga märke till konstigheter?

F: Varför gav forskarna dessa partiklar namnet "strange"?

F: Hur lång tid tog det för forskarna att förutsäga konstigheter efter upptäckten av kaoner?

Sök med bokstav