Kvarkki

Nimet

Nimitys ”kvarkki” on peräisin James Joycen kryptisestä teoksesta Finnegans Wake:
»Three quarks for Muster Mark! 
Sure he has not got much of a bark
And sure any he has it's all beside the mark.» 
Tästä Murray Gell-Mann poimi termin nimeksi keksimilleen, tuolloin vielä hypoteettisille hiukkasille.
Yksittäisten kvarkkityyppien nimet ovat mielivaltaisesti keksittyjä; kvarkkityyppien ominaisuudet eivät millään tavoin vastaa nimitysten käyttöä arkielämässä: ylös (up), alas (down), outo (strange), lumo (charm), pohja (bottom) ja huippu (top). Kahta viimeistä kvarkkia kutsutaan myös nimillä kauneus (beauty) ja totuus (truth). Tarinan mukaan kolme ensimmäisenä löydettyä kvarkkia tunnettiin fyysikoiden keskuudessa alun perin nimillä suklaa, mansikka ja vanilja. Kvarkkilajeista onkin käytetty myös nimitystä maku.
Kvarkeista muodostuvia hiukkasia kutsutaan hadroneiksi, jotka puolestaan voidaan jakaa baryoneihin ja mesoneihin siten, että baryonien spin on puoliluku, mesonien kokonaisluku. Nykyään erilaisia hadroneja tunnetaan satoja, tosin useimmat niistä eivät ole vakaita.

Historiaa

Jo 1960-luvun alussa fyysikot olivat kyenneet tuottamaan useita eksoottisia, hyvin lyhytikäisiä hiukkasia. Vuonna 1963 Murray Gell-Mann ja Yuval Ne'eman havaitsivat, että näitä hiukkasia oli mahdollista ryhmitellä säännönmukaisesti kolmen kvanttiluvun, spinin, isospinin ja outouden perusteella. Tulokseksi saadaan kahdeksan hiukkasen oktetteja sekä kymmenen hiukkasen dekupletteja. Vuonna 1964 Gell-Mann ja George Zweig keksivät toisistaan riippumatta, että ryhmittely voitaisiin selittää, jos kukin hiukkanen rakentuisi kahdesta tai kolmesta pienemmästä hiukkasesta ja/tai sellaisen antihiukkasesta. Tarve saada baryoneille todennetuksi sisärakenne kumpusi myös toisesta suunnasta, sillä neutronilla oli havaittu olevan magneettinen momentti. Neutroni on sähköisesti neutraali, joten magneettisen momentin selittämiseksi neutronin täytyisi muodostua jonkinlaisista varauksellisista hiukkasista, joiden varaukset kuitenkin kumoavat toisensa kokonaisuutena.
Kvarkkimalli ei perustu pelkkään päättelyyn, vaan matemaattisesti sen pohjana on symmetriaryhmän SU(3) käyttö. Teoriassaan Gell-Mann kykeni sen avulla muodostamaan aaltofunktiot kaikille tuolloin tunnetuille hadroneille.
Alkuperäisessä, vuoden 1964 kvarkkimallissa oli kolme kvarkkia: ylös- eli u-kvarkki, alas- eli d-kvarkki sekä outo- eli s-kvarkki sekä näiden antikvarkit. Ylös- ja alas-kvarkkien nimet johdettiin isospinistä, sillä jos u-kvarkki vastaa isospinin ylös-komponenttia ja d-kvarkki alas-komponenttia ja jos protonin kvarkkikoostumus on uud ja neutronin udd, näiden hiukkasten isospinit saadaan selitettyä. Kolmas kvarkki eli outo-kvarkki tarvittiin selittämään kaonien ja eräiden baryonien omituisen hidas hajoaminen. Näitä hiukkasia syntyy helposti protonien törmäyksissä vahvan voiman aiheuttamina, mutta niiden hajoaminen kestää jopa 10¹³ kertaa kauemmin kuin pitäisi. Selitykseksi hitaalle hajoamiselle kehitettiin ylimääräinen kvanttiluku, jota alettiin kutsua outoudeksi. Hiukkasen outous säilyy vahvan vuorovaikutuksen reaktioissa, muttei heikon vuorovaikutuksen reaktioissa. Tämän mukaisesti, jos hiukkasen rakenteeseen kuuluu outo-kvarkkeja eli niiden outous poikkeaa nollasta, kevyimpien outojen hiukkasten on ikään kuin jäätävä odottamaan hajoamista hitaammin vaikuttavan heikon vuorovaikutuksen kautta, koska hajoaminen kevyemmiksi hiukkasiksi ei vahvan vuorovaikutuksen kautta ole mahdollista. Osoittautui, että näillä kolmella kvarkilla pystyttiin paitsi selittämään kaikkien tuolloin tunnettujen hadronien ominaisuudet, myös ennustamaan vielä löytymättömiä hiukkasia. Merkittävä läpimurto oli kvarkkimallista ennustetun Ω⁻-baryonin löytyminen.
Ongelmana kvarkkimallissa oli, että spin-1/2-hiukkasina kvarkit ovat fermioneja, jolloin niitä koskee Paulin kieltosääntö. Kieltosäännön mukaan samassa tilassa ei voi olla kahta fermionia, joiden kvanttiluvut ovat samat. Eräät hiukkaset näyttivät kuitenkin rikkovan tätä sääntöä, kuten Δ⁺⁺, jonka kvarkkirakenne on uuu. Ongelman selitti Oscar Greenberg ottamalla käyttöön väriksi kutsutun kvanttiluvun, jolla voi olla kolme eri tilaa. Jos kullakin Δ⁺⁺-hiukkasen u-kvarkilla on eri väri, yksi niiden kvanttiluvuista on erilainen, Paulin kieltosääntö jää rikkoutumatta ja hiukkasen olemassaolo saa selityksen.
Neljännen kvarkin olemassaoloa alettiin pohtia, kun James Björken ja Sheldon Glashow huomasivat kvarkkimallin siistiytyvän, jos kvarkit muodostaisivat kahden kvarkin pareja tuolloin tunnettujen neljän leptonin tapaan. Tätä s-kvarkin oletettua paria alettiin kutsua lumo- eli c-kvarkiksi. C-kvarkin löytäminen kokeellisesti palkittiin Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1976. Sen avulla kyettiin selittämään c-kvarkin sisältävien hiukkasten hajoamisprosessit hieman samaan tapaan kuin s-kvarkin avulla. Kun vielä tau-leptonin löytymisen jälkeen havaittiin, että leptonit muodostavatkin kolme hiukkasparia, oli luontevaa, että kvarkitkin muodostaisivat kolme paria. Vuonna 1973 Makoto Kobayashi ja Toshihide Maskawa ennustivat kolmannen kvarkkiparin, b- ja t-kvarkkien olemassaolon. Nämä kaksi varsin suurimassaista kvarkkia löydettiin kokeellisesti vasta vuosina 1977 ja 1995. Kobayashi ja Maskawa saivat ennusteesta Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 2008.

Gluonit ja kvarkkien vankeus

Kvarkit ovat sirontakokeiden perusteella lähes pistemäisiä. Hadronin sisällä niillä on vahva vuorovaikutus, joka välittyy gluonien avulla. Vahva vuorovaikutus on sikäli erikoinen, että se kasvaa etäisyyden suhteessa. Lähellä toisiaan kvarkit voivat liikkua lähes vapaasti, kaukana toisistaan ne ovat hyvin vaikeasti työnnettävissä poispäin toisistaan. Vapaita kvarkkeja ei ole havaittu.    
Yli 170 MeV:n lämpötilassa, joka vallitsi kvarkkiepookkina maailmankaikkeuden alkuhetkillä, kvarkit ja gluonit kuitenkin muodostivat kvarkki-gluoniplasmaa, jossa kvarkit olivat vapaita. Samoin oletetaan olevan kvarkkitähdissä.
Kvarkkien ei uskota koskaan esiintyvän yksittäin, vaan aina kahden tai kolmen ryhmissä. Tätä ilmiötä kutsutaan kvarkkien vankeudeksi. Uskomukselle on vahva kokeellinen näyttö, sillä yhdessäkään vuoden 1977 jälkeen suoritetussa kokeessa ei ole havaittu yksittäistä kvarkkia. Sen sijaan tiedetään, että jos vaikkapa mesonista yritetään vetää sen sisältämät kvarkki ja antikvarkki erilleen, tehdään hiukkasten väliseen värivoimakenttään lopulta niin paljon työtä, että kentästä voi materialisoitua uusi kvarkki-antikvarkkipari. Näin kahden erillisen kvarkin sijaan saadaan aikaan energiasta materialisoitunut uusi mesoni.
Kvarkkien vankeuden yksityiskohdat ovat osittain tuntemattomia. Sen aihepiiri on aktiivisen tutkimuksen kohde.