Kuark

Kuark, maddenin temel bileşenlerinden biri olan temel parçacık türüdür. Kuarklar, bir araya gelerek hadron olarak adlandırılan bileşik parçacıkları oluşturur. Hadronların kararlı örnekleri, atom çekirdeğinin bileşenleri olan proton ve nötrondur. Renk hapsi olarak adlandırılan olgu nedeniyle kuarklar asla tek başlarına bulunmaz; yalnızca baryonlar ve mezonlar gibi hadronların içinde yer alırlar. Bu nedenle kuarklar hakkında bilinen bilgilerin büyük bölümü, hadronların gözlemlenmesi sonucunda elde edilmiştir.

Kuarklar; elektrik yükü, renk yükü, spin ve kütle gibi çeşitli yapısal özelliklere sahiptir. Kuarklar, parçacık fiziğinin Standart Model'inde dört temel kuvvetin (elektromanyetik etkileşim, kütleçekim, güçlü etkileşim ve zayıf etkileşim) tümüyle de etkileşen ve elektrik yükü temel yükün tam sayı katı olmayan tek temel parçacık ailesidir.

Yukarı, aşağı, tılsım, garip, üst ve alt olmak üzere, çeşni olarak adlandırılan altı kuark türü bulunur. Yukarı ve aşağı kuarklar, tüm kuarklar arasında en düşük kütleye sahip olanlardır. Daha ağır kuarklar, parçacık bozunması yoluyla aşağı ve yukarı kuarka dönüşür, yani yüksek kütleli bir durumundan daha düşük kütleli bir duruma geçiş gerçekleşir. Bu sebeple evrende en yaygın olarak bulunan kuarklar, yukarı ve aşağı kuarklardır. Buna karşılık tılsım, garip, üst ve alt kuarklar yalnızca yüksek enerjili çarpışmalarda (kozmik ışınlar ve parçacık hızlandırıcılarda) oluşabilir. Her kuark çeşnisi için, ona karşılık gelen bir antiparçacık bulunur. Antikuark olarak adlandırılan bu parçacık, bazı özelliklerinin kuarkla aynı büyüklükte fakat ters işaretli olmasıyla ondan ayrılır.

Kuark modeli, 1964 yılında Murray Gell-Mann ve George Zweig tarafından birbirlerinden bağımsız olarak ortaya atıldı. Kuarklar, hadronları sınıflandırmaya yönelik bir düzenleme şemasının bileşenleri olarak tanımlandı. Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezinde (günümüzdeki adıyla SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı) 1968 yılında gerçekleştirilen ve sonuçları 1969'da yayımlanan derin inelastik saçılma deneyleriyle kuarkların varlığı fiziksel olarak kanıtlandı. Zamanla altı kuark çeşnisinin tamamı, gerçekleştirilen hızlandırıcı deneyleriyle doğrulandı. Keşfedilen son kuark olan üst kuarkın keşfi 1995'te, Fermilab'da gerçekleşti.

 Sınıflandırma 
küçükresim|upright=1.2|Standart Model'deki parçacıkların altısı kuarktır (mor ile gösterilir). İlk üç sütunun her biri maddenin bir neslini oluşturur.
Standart Model, günümüz itibarıyla bilinen tüm temel parçacıkları açıklayan bir teoridir. Bu model kuarkların (q) yukarı (u), aşağı (d), tılsım (c), garip (s), üst (t) ve alt (b) olmak üzere altı çeşnisini de kapsar. Kuarkların antiparçacıklarına antikuark denir ve karşılık gelen kuarkın sembolünün üzerine çizgi eklenerek gösterilir (örneğin yukarı kuark için antikuark u ile gösterilir). Antimaddelerin genelinde olduğu gibi, antikuarklar da kendi kuarkı ile aynı kütleye, ortalama ömre ve spine sahip olsa da elektrik yükü ve diğer yükleri ters işaretlidir.

Kuarklar, spin  parçacıklarıdır ve bu da onların spin-istatistik teoremine göre fermiyon olarak tanımlanmasına yol açar. Dolayısıyla iki özdeş fermiyonun aynı anda aynı kuantum durumunda bulunamayacağını söyleyen Pauli dışarlama ilkesine tabiidirler. Bu aynı kuantum durumunda çoklu sayılarda bulunabilen bozonların (tam sayı spinli parçacıklar) tersidir. Leptonlardan farklı olarak kuarklar, güçlü etkileşime girmelerini sağlayan renk yüküne sahiptirler. Farklı kuarklar arasındaki etkileşim, hadronlar olarak adlandırılan bileşik parçacıkların oluşmasını sağlar.

Hadronların kuantum sayılarını belirleyen kuarklara değerlik kuark denir. Bununla birlikte hadronlar, kuantum sayısına etki etmeyen sonsuz sayıda sanal (veya deniz) kuark, antikuark ve gluon barındırabilir. Üç değerlik kuarklı baryonlar ve bir değerlik kuark ile bir antikuarklı mezonlar olmak üzere iki farklı hadron ailesi vardır. En yaygın görülen baryonlar, atom çekirdeğini oluşturan proton ve nötrondur. Hadronların büyük bir bölümü bilinirken (baryonlar listesi ile mezonlar listesi maddelerine bakınız) bunların çoğu kuark bileşenleri ve yapıtaşını oluşturan kuarkların kazandırdığı özelliklerle ayırt edilirler. Varlıkları, kuark modelinin oluşturulmasından beri tahmin edilen daha fazla değerlik kuarka sahip egzotik hadronlar olan tetrakuark () ve pentakuarklar () ise 21. yüzyılın başlarında keşfedildi.

Temel fermiyonlar, her biri ikişer lepton ve kuarkı kapsayan üç nesilden oluşur. Birinci nesilde yukarı ve aşağı kuark, ikinci nesilde tılsım ve garip kuark, üçüncü nesilde üst ve alt kuark yer alır. Kuarkların ve diğer temel fermiyonların dördüncü nesli ile ilgili araştırmaların tamamı başarısızlıkla sonuçlanmış ve üç nesilden fazlası olmadığına dair doğrudan olmayan kanıtlar mevcuttur. Daha yüksek nesillerde yer alan parçacıkların genellikle daha büyük kütleye ve daha az kararlılığa sahip olmaları, zayıf etkileşimler vasıtasıyla bozunarak daha küçük nesilli parçacıklara dönüşmesine yol açar. Sadece birinci nesildeki (yukarı ve aşağı) kuarklar doğada yaygın olarak bulunur. Daha ağır kuarklar sadece yüksek enerjili çarpışmalarda (kozmik ışınları içerenler gibi) yaratılabilir ve hemen ardından bozunur. Ancak bu parçacıkların, evrenin daha sıcak ve yoğun fazda olduğu Büyük Patlama'dan sonraki bir saniyenin ilk kesirlerinde bulundukları düşünülür (kuark dönemi). Ağır kuarklar üzerine çalışmalar, parçacık hızlandırıcılar gibi yapay olarak yaratılmış koşullarda yürütülür.

Elektrik yükü, kütle, renk yükü ve çeşniye sahip olan kuarklar çağdaş fiziğin dört temel kuvveti olan elektromanyetizma, kütleçekim, zayıf etkileşim ve güçlü etkileşimin tamamıyla etkileştiği bilinen tek parçacık ailesidir. Ancak kütleçekim, görece daha büyük enerji (Planck enerjisi) veya daha uzun mesafe (Planck uzunluğu) görülen durumların dışında atomik skalada etkisizdir. Geçerli bir kuantum kütleçekimi teorisi bulunmadığından, kütleçekim Standart Model ile açıklanamaz.

 Tarihi 

Kuark modeli 1964'te, Murray Gell-Mann ve George Zweig tarafından, birbirlerinden bağımsız olarak ortaya atıldı. Öneri, Gell-Mann'ın 1961'de hazırladığı sekiz katlı yol ya da daha teknik bir ifadeyle SU(3) çeşni simetrisi olarak bilinen parçacık sınıflandırma sistemi formülasyonundan sonra geldi. Yuval Ne'eman da aynı yıl, bağımsız olarak sekiz katlı yola benzer bir şema geliştirdi.Orijinal 

Kuark teorisi ortaya çıktığında, diğer parçacıklarla birlikte çok sayıda hadron da "parçacık hayvanat bahçesi" olarak adlandırılan sınıflandırma içindeydi. Gell-Mann ve Zweig hadronların temel parçacık olmadıklarını, bunun yerine kuarklar ve antikuarklardan oluşan bileşik parçacıklar olduklarını ortaya attılar. Modelleri; spin ve elektrik yüklerini tanımladıkları yukarı, aşağı ve garip kuark olmak üzere üç çeşniyi kapsıyordu. Önermeye fizik camiasından gelen ilk tepkiler karışıktı. Kuarkların fiziksel bir varlık mı, yoksa o dönemde tam olarak anlaşılamayan bazı olguları açıklamak için kullanılan bir soyutlama mı olduğu konusunda görüş ayrılığı vardı.

Bir yıl geçmeden Gell-Mann-Zweig modeli için birtakım genişlemeler önerildi. Sheldon Glashow ve James Bjorken, "tılsım" adını verdikleri dördüncü kuark çeşnisinin varlığını tahmin ettiler. Bu ekleme; yeni çeşninin zayıf etkileşimin (bu mekanizma kuarkların bozunmasına izin verir) daha iyi açıklanabilmesine olanak sağladığından, bilinen kuark sayısı ile bilinen lepton sayısını eşitlediğinden ve bilinen mezonların kütlelerinin doğru bir şekilde yeniden belirlenmesini sağlayan bir kütle formülü belirttiğinden dolayı önerilmişti.

Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezinde (SLAC) 1968 yılında yapılan ve sonuçları 1969'da yayımlanan derin inelastik saçılma deneyleri, protonun daha küçük, nokta benzeri parçacıklardan oluştuğunu ve böylece bir temel parçacık olmadığını gösterdi. O dönemde fizikçiler bu nesneleri kuarklar ile ilişkilendirmek konusunda tereddütlü olduklarından parçacıklar, Richard Feynman'ın türettiği "parton" olarak adlandırdı. Bu deneyler sırasında gözlemlenen cisimler, diğer çeşnilerin de keşfedilmesiyle daha sonra yukarı ve aşağı kuark olarak tanımlanacaktı. Buna rağmen parton, hadronların bileşenlerini (kuarklar, antikuarklar ve gluonlar) tanımlayan ortak bir terim olarak kullanımda kaldı.

Garip kuarkın varlığı SLAC'deki saçılma deneyleri ile dolaylı olarak doğrulandı. Bu, Gell-Mann ve Zweig'ın üç kuark modelinin gerekli bileşeni olmasının yanı sıra, 1947'de kozmik ışınlarda keşfedilen kaon (K) ve pion (π) hadronları için de açıklama getiriyordu. 1970'teki bir araştırmada Glashow, Yannis İliopulos ve Luciano Maiani; çeşni değiştiren nötr akımları açıklayan GIM mekanizmasını ortaya attı. Bu teorik model, henüz keşfedilmemiş tılsım kuarkın varlığına dair yeni kanıtlar oluşturuyordu. Var olması gerektiği düşünülen kuark çeşnisi sayısı 1973 yılında, Makoto Kobayashi ve Toshihide Maskawa başka bir kuark çifti olmasının, CP ihlalinin deneysel gözlemiyle açıklanabileceğini ifade etmesiyle altıya yükseldi.

Tılsım kuarklar Kasım 1974'te, Burton Richter önderliğindeki ekip tarafından SLAC'ta ve Samuel C. C. Ting önderliğindeki ekip tarafından Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda gerçekleştirilen farklı ve bağımsız deneylerde ilk kez tespit edildi. Tılsım kuarklar; mezonlarda, tılsım antikuarklara bağlı bir şekilde gözlemlendi. Keşfedilen mezon için Ting'in J, Richter'ın ise ψ (psi) sembolünü kullanması nedeniyle mezonun resmî adı J/psi mezonu oldu. Bu keşifle birlikte kuark modelinin geçerliliği kabul görüldü.

İlerleyen yıllarda, kuark modelinin altı kuarka genişletilmesi için bir takım öneriler getirildi. Bunlardan Haim Harari 1975'teki makalesinde, diğer kuarklar için "üst" ve "alt" terimlerini kullanan ilk kişi oldu. Alt kuark 1977'de, Leon Lederman'ın liderliğindeki bir ekip tarafından Fermilab'da gözlemlendi. Bu durum, üst kuarkın yokluğunda alt kuark tek başına kalmış olacağından ötürü üst kuarkın varlığına dair güçlü bir göstergeydi. Üst kuarkın gözlemlenmesi 1995'te, Fermilab'daki CDF ve DØ takımları tarafından gerçekleştirilen deneylerde yaşandı. Bu kuarkın kütlesinin, daha önceki kuramsal öngörülerden büyük olduğu anlaşıldı.

 Etimoloji 
Gell-Mann quark (İngilizcede "kuark"ın karşılığı) kelimesini, martıların çıkardığı sesten türetmişti. James Joyce'un Finneganın Vahı (Finnegans Wake) adlı kitabındaki bir şiirde yer alan quark kelimesine rastlayana dek, kavram için kullanmayı düşündüğü bu sesin gerçekteki yazımı konusunda kararsız kalmıştı:

Almanca kökenli olan kelime, bu dilde bir süt ürünü anlamına gelmesinin yanı sıra "saçmalık" anlamı da taşır. The Quark and the Jaguar adlı kitabında Gell-Mann, kuark adıyla ilgili daha ayrıntılı bilgi verir:

Zweig, teorileştirdiği parçacığın dört türü olduğunu düşündüğünden bu parçacık için ace (İngilizcede "as"ın karşılığı) ismini tercih etse de kuark modeli yaygın biçimde kabul görünce Gell-Mann'ın kullandığı terim benimsendi.

Kuark çeşnilerinin isimleri ise farklı nedenlere bağlı olarak verildi. Yukarı ve aşağı kuarklar, taşıdıkları izospinin yukarı ve aşağı bileşenleri olmalarından dolayı bu isimleri aldılar. Garip kuarklar, kuark modeli ortaya çıkmadan yıllar önce kozmik ışınlarda keşfedilen garip parçacıkların bileşenleri olarak tanımlandıkları için şekilde isimlendirildiler ve bu parçacıklar olağandışı uzun yaşam sürelerine sahip oldukları için "garip" olarak anılmaya başladılar. Bjorken ile birlikte tılsım kuark fikrini ortaya atan Glashow, "çalışmamıza charmed quark (İngilizcede "tılsım kuark"ın karşılığı) adını verdik çünkü onun çekirdek altı dünyaya taşıdığı simetri bizi büyülemiş ve sevindirmişti" dedi. Alt ve üst kuark isimleri Harari tarafından, "yukarı ve aşağı kuarkların mantıksal eşleri" olmaları nedeniyle seçildi. Geçmişte üst ve alt kuarklar, sırasıyla "gerçeklik" ve "güzellik" isimleriyle de anıldı ancak bu isimler büyük ölçüde kullanımdan kalktı.

 Yapısı 
 Elektrik yükü 
Kuarklar kesirli elektrik yüküne sahiptir ve bu değer, çeşnisine bağlı olarak temel yükün (e) - ya da + katı olabilir. Yukarı tip kuark olarak adlandırılan yukarı, tılsım ve üst kuarkların elektrik yükü +; aşağı tip kuarklar olarak adlandırılan aşağı, garip ve alt kuarkların elektrik yükü ise -'tür. Antikuarklar, eşlerinin ters işaretli elektrik yüküne sahiptir. Yukarı tip antikuarkların yükü -, aşağı tip antikuarklarınki ise  kadardır. Bir hadronun elektrik yükü, barındırdığı kuarkların elektrik yükleri toplamına eşit olduğundan bütün hadronlar tam sayı yüklere sahiptir. Üç kuarktan oluşan baryonlar, üç antikuarktan oluşan antibaryonlar ve bir kuark ile bir antikuarktan oluşan mezonlar kombinasyonu her zaman tam sayı değerini verir. Örneğin atom çekirdeğinin bileşenlerinden iki aşağı kuark ve bir yukarı kuarktan oluşan nötron 0, iki yukarı kuark ve bir aşağı kuarktan oluşan proton ise +1 elektrik yüküne sahiptir.

 Spin 
Spin büyüklüğü, indirgenmiş Planck sabiti ħ biriminde ifade edilen bir vektörle gösterilebilir. Kuarklar için herhangi bir eksen boyunca spin vektörü bileşeni ölçüldüğünde yalnızca +ħ/2 ya da -ħ/2 değerleri elde edilebildiğinden kuarklar spin  parçacıklar olarak sınıflandırılır. Spinin verilen bir eksendeki -genel kabulle z eksenindeki- bileşeni, + değeri için yukarı ok (↑), - değeri için aşağı ok (↓) işaretiyle ifade edilir. Örneğin z ekseni boyunca spini + olan bir yukarı kuark u↑ şeklinde gösterilir.

 Zayıf etkileşim 
küçükresim|upright=0.8|Zamanın yukarıya doğru olduğu beta bozunmasının Feynman diyagramı. CKM matrisi, bu ve diğer kuark bozunmalarının olasılığını kodlar.
Bir kuark çeşnisi, başka bir kuark çeşnisine yalnızca parçacık fiziğindeki dört temel kuvvetten biri olan zayıf etkileşim yoluyla dönüşebilir. W bozonunun yayılması veya soğurulması yoluyla, herhangi bir yukarı tip kuark (yukarı, tılsım ve üst) herhangi bir aşağı tip kuarka (aşağı, garip ve alt) dönüşebilir ya da bu dönüşümün tersi gerçekleşebilir. Bu çeşni dönüşüm mekanizması, bir nötronun (n), bir proton (p), bir elektron (e-) ve bir elektron antinötrinosuna (ve) bozunduğu beta bozunması adı verilen radyoaktif sürece yol açar. Bu olay, nötrondaki (udd) aşağı kuarklardan birinin sanal bir W- bozonu yayarak bir yukarı kuarka dönüşmesiyle gerçekleşir. Sonuç olarak nötron, bir protona (uud) dönüşür. Ardından W- bozonu bir elektron ve bir elektron antinötrinosuna bozunur.

 n  →  p + e + ve  (Beta bozunması, hadron gösterimi) udd  →  uud + e + ve  (Beta bozunması, kuark gösterimi)

Beta bozunması ve onun tersi olan ters beta bozunması, pozitron emisyon tomografisi (PET) gibi tıbbi uygulamalarda ve nötrino keşfi gibi yüksek enerjili deneylerde kullanılır.

küçükresim|sol|Altı kuark arasındaki zayıf etkileşim güçleri. Çizgilerin "yoğunlukları", CKM matrisinin elemanları tarafından belirlenir.
Çeşni dönüşüm süreci tüm kuarklar için aynı olmakla birlikte, her kuark kendi neslinden bir kuarka dönüşme eğilimindedir. Tüm çeşni dönüşümleri için göreli olasılıklar, Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrisi (CKM matrisi) olarak bilinen matematiksel bir tabloyla tanımlanır. CKM matrisi elemanlarının yaklaşık değerleri aşağıdaki gibidir: 

Buradaki Vij, i çeşnili kuarkın j çeşnili kuarka (veya tam tersi) dönüşümünün eğilimini gösterir.

Leptonlar için de bunun eşdeğeri olan Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata matrisi (PMNS matrisi) bulunur. CMK ve PMNS matrisleri birlikte tüm çeşni dönüşümlerini tanımlar ancak bu iki matris arasındaki bağlantı henüz net değildir.

 Güçlü etkileşim ve renk yükü 
küçükresim|upright=0.7|Bütün hadron türleri toplam 0 renk yüküne sahiptir
Kuantum renk dinamiğine göre kuarklar, renk yükü olarak adlandırılan bir özelliğe sahiptir. Renk yükünün mavi, yeşil ve kırmızı olmak üzere rastgele adlandırılmış üç türü bulunur. Bunların her biri, sırasıyla antimavi, antiyeşil ve antikırmızı olmak üzere birer antirenkle tamamlanır. Her kuark bir renk, her antikuark ise buna karşılık gelen bir antirenk taşır.

sol|küçükresim|upright=0.8|Üç farklı renkteki kuark ve antikuarklar ile sekiz gluon (nötr iki gluon üst üste binmiş gösterilmiştir) arasındaki güçlü etkileşim yüklerini gösteren çizim
Üç rengin farklı kombinasyonlarıyla yüklenmiş kuarklar arasındaki çekme ve itme etkileşimi, güçlü etkileşim olarak adlandırılır. Güçlü etkileşime, gluon olarak adlandırılan kuvvet taşıyıcı parçacıklar aracılık eder. Güçlü etkileşimi tanımlayan teori, kuantum renk dinamiğidir. Herhangi bir renk değeri ile yüklenmiş bir kuark, ona karşılık gelen antirengi taşıyan antikuarkla birlikte bir bağlı sistem oluşturabilir; benzer şekilde, üç (anti)kuark da birer (anti)renk taşıyarak bağ oluşturur. İki çekici kuarkın sonucu renk nötrlüğü olacaktır ve renk yükü ξ olan bir kuark ile -ξ olan bir antikuarkın bir araya gelmesi 0 renk yükü (veya beyaz renk) ve bir mezon oluşumu şeklinde sonuçlanacaktır. Optikteki eklemeli renk modeline benzer şekilde, her biri farklı renkten olan üç kuarkın veya üç antikuarkın kombinasyonu da beyaz renk yükü ve bir baryon veya antibaryon oluşumu şeklinde sonuçlanır.

Modern parçacık fiziğinde ayar simetrileri, arasındaki etkileşimlerle ilişkilidir. SU(3) (genellikle SU(3)c şeklinde gösterilir) renk simetrisi, kuarklardaki renk yüküyle ilişkili ayar simetrisidir ve kuantum renk dinamiğini tanımlayan temel simetridir. Kuantum renk dinamiğinin fiziği, üç boyutlu renk uzayında hangi yönlerin mavi, kırmızı ya da yeşil olarak adlandırıldığından bağımsızdır. SU(3)c renk dönüşümleri renk uzayındaki dönmelere denk gelir (matematiksel olarak bir karmaşık uzayda). Kuarkların renklerine göre fB, fG, fR türlerine sahip her kuark çeşnisi (f) bir triplet oluşturur; SU(3)c'ün temel temsili altında dönüşen üç bileşenli bir kuantum alanı tanımlar. SU(3)c'ün yerel bir simetri olması, güçlü etkileşimin özelliklerini; özellikle kuvvet taşıyıcıları olarak sekiz gluon türünün varlığını belirler.

 Kütle 
küçükresim|upright=0.8|Altı kuark çeşnisinin kütlelerinin karşılaştırılmasını gösteren görsel. Sol alt köşede proton (gri) ve elektron (kırmızı) da yer alır.
Kuarkların kütleleri, kuarkın tek başına sahip olduğu kütlesini ifade eden çıplak kuark kütlesi ile, kuarkın ve onu çevreleyen gluon alanının toplam etkisini ifade eden bileşik kuark kütlesi olmak üzere iki farklı biçimde tanımlanır. Çoğu hadronun kütlesi, kuarkların kendi kütlelerinden ziyade onları bir arada tutan gluon alanlarının katkısından kaynaklanır. Gluonlar doğaları gereği kütlesizdir; ancak taşıdıkları enerji (özellikle kuantum renk dinamiği bağlanma enerjisi), hadron kütlelerinin büyük bir bölümünü oluşturur. Örneğin protonun durgun kütlesi 938 MeV/c2 iken, onu oluşturan üç değerlik kuarkın toplam katkısı 11 MeV/c2 kadardor. Geri kalan kısmın çoğu, gluonların kuantum renk dinamiği bağlanma enerjisine atfedilir.

Standart Model'e göre temel parçacıklar kütlelerini, Higgs bozonu ile bağlantılı olan Higgs mekanizması yoluyla kazanır. Fizikçiler, kütlesi (~173 GeV/c2) olan üst kuarkın kütlesi üzerine yapılacak ilerideki araştırmaların kuarkların ve diğer temel parçacıkların kütlelerinin kökenine dair daha fazla bilgi vereceğini düşünürler.

 Özellikler tablosu 
Aşağıdaki tabloda, altı kuarkın başlıca yapısal özellikleri gösterilir. Çeşni kuantum sayıları (izospin (I3), tılsım (C), gariplik (S), üstlük (T) ve altlık (B′)) belli kuark çeşnilerine atanmıştır ve kuark temelli sistemlerin ve hadronların özelliklerini gösterir. Baryonlar üç kuarktan oluştuğu için, baryon sayısı (B) bütün kuarklar için +'tür. Antikuarklar için elektrik yükü (Q) ve diğer tüm çeşni kuantum sayıları (B, I3, C, S, T ve B′) ters işaretlidir. Kütle ve toplam açısal momentum kuantum sayısı (J; nokta parçacıklar için spine eşittir) antikuarklarda işaret değiştirmez.

+Kuark çeşnilerinin özellikleri Ad Sembol Kütle (MeV/c2)*JBQ (e)I3CSTB′ Antipaçacık Antiparçacık sembolüBirinci nesil Yukarı u 2,3 ± 0,7 ± 0,5  + + + 0 0 0 0 Antiyukarı u Aşağı d 4,8 ± 0,5 ± 0,3  + - - 0 0 0 0 Antiaşağı dİkinci nesil Tılsım c   + + 0 +1 0 0 0 Antitılsım c Garip s   + - 0 0 -1 0 0 Antigarip sÜçüncü nesil Üst t  ± 710  + + 0 0 0 +1 0 Antiüst t Alt b   + - 0 0 0 0 -1 Antialt b
J = toplam açısal momentum kuantum sayısı, B = baryon sayısı, Q = elektrik yükü, I3 = izospin, C = tılsım, S = gariplik, T = üstlük, B′ = altlık. * ± 710 gibi gösterimler ölçüm kesinsizliğini belirtir.

 Etkileşen kuarklar 
Kuantum renk dinamiğinin tanımladığı gibi kuarklar arasındaki güçlü etkileşime, kütlesiz vektör ayar bozonları olan gluonlar aracılık eder. Her bir gluon, birer renk yükü ile antirenk yükü taşır. Parçacık etkileşimlerinin standart referans çerçevesinde gluonlar, kuarklar arasında sürekli olarak sanal emisyon ve soğurma yollarıyla takas edilir. Bir gluon kuarklar arasında taşındığında, hem kuarkta hem de gluonda renk değişimi olur. Örneğin bir kırmızı kuark, kırmızı-antiyeşil bir gluon yaydığında yeşile; bir yeşil kuark aynı gluonu soğurduğunda ise kırmızıya dönüşür. Böylece her kuarkın rengi sürekli değişirken güçlü etkileşim korunmuş olur.

Gluonlar renk taşıdıklarından, diğer gluonları yayma ve soğurma yetisine sahiptir. Bu durum, kuarkların birbirine yaklaştıkça aralarındaki renk dinamiği bağlanma kuvvetinin zayıflamasını ifade eden asimptotik özgürlük olgusuna yol açar. Buna karşılık, kuarklar arasındaki mesafe arttığında bağlanma kuvveti güçlenir. Renk alanı gerilmiş bir hâle gelir ve alanı güçlendirmek için uygun renkten daha fazla gluon kendiliğinden oluşur. Belirli bir enerji eşiğinin üzerinde kuark-antikuark çiftleri üretilir. Bu çiftler, ayrılmış kuarklarla bağlanarak yeni hadronların oluşmasına yol açar. Kuarkların hiçbir zaman izole hâlde gözlemlenemeyeceğini ifade eden bu olgu, renk hapsi olarak adlandırılır. Bu hadronlaşma süreci, yüksek enerjili çarpışmalarda oluşan kuarkların başka yollarla etkileşime girmesinden önce gerçekleşir. Buradaki tek istisna, hadronize olmadan önce bozunmaya uğrayabilen üst kuarktır.

 Deniz kuarkları 
Hadronlar, kuantum sayılarına katkıda bulunan değerlik kuarklar (qv) ile birlikte, deniz kuarkları () olarak bilinen sanal kuark-antikuark (qq) çiftleri içerir. Sanal kuark-antikuark çiftleri, hadronlardaki değerlik kuarkların çevresinde bir çeşit "bulut" veya "zırh" olarak nitelendirilebilecek bir yapı oluşturma eğilimindedir. Bu yapı, sanal gluonlardan oluşan dıştaki başka bir katmanla tamamlanır. Bu katmanlar, çevreledikleri değerlik kuarka göre bir renk alır. Kuantum renk dinamiği, değerlik kuarkın antirengini taşıyan buluttaki sanal antikuarkların alan içinde değerlik kuarka daha yakın konumlanmasını sağlar. Örneğin kırmızı bir kuark için, antikırmızı sanal antikuarklar, kırmızı sanal kuark eşlerine kıyasla kırmızı değerlik kuarka daha fazla yakınlaşma eğilimindedir.

 Kuark maddesinin diğer evreleri 
sağ|küçükresim|upright=1.1|Kuark maddesi faz diyagramının niteleyici sunumu. Şemanın kesin ayrıntıları devam eden çalışmaların bir konusudur.
Yeterince uç koşullar altında, kuarklar hapisten kurtularak serbest parçacık haline gelebilir. Asimptotik özgürlük rejiminde, yüksek sıcaklıklarda güçlü etkileşim zayıflar. Nihayetinde renk hapsi kaybolacak ve serbest hareket eden kuarklar ve gluonlardan oluşan son derece sıcak bir plazma meydana gelebilecektir. Maddenin bu teorik evresine kuark-gluon plazması adı verilir. Bu durum için gerekli olan kesin koşullar bilinmemekle birlikte, konu çeşitli tartışmalara ve deneylere konu olmuştur. 2000'lerdeki tahminler, gerekli sıcaklığın  kelvin olduğunu gösterir. 1980'ler ve 1990'larda Avrupa Nükleer Araştırma Merkezinde (CERN) yapılan denemelere karşın şimdiye kadar serbest kuarklar ve gluonlar için gereken koşullara hiçbir zaman ulaşılamamıştır. Öte yandan 2000'li yıllarda Göreli Ağır İyon Çarpıştırıcısı'nda gerçekleştirilen deneyler sonucunda "neredeyse kusursuz" akışkan davranış sergileyen sıvı benzeri kuark maddesine dair kanıtlar elde edilmiştir.

Kuark-gluon plazması, ağır kuark çiftlerinin sayı bakımından yukarı ve aşağı kuark çiftlerine göre büyük farkla fazla olmasıyla nitelendirilebilir. Hadronların kararlı olamayacağı kadar yüksek bir sıcaklığa sahip olan Büyük Patlama sonrasındaki 10-6 saniyeden önceki kuark dönemi sırasında evrenin kuark-gluon plazması ile dolu olduğu düşünülür.

Yeterince yüksek baryon yoğunluklarında ve görece düşük sıcaklıklarda kuark maddesinin, zayıf etkileşen kuarkların bir Fermi sıvısına yozlaşması beklenir. Bu sıvı, renkli kuark Cooper çiftlerinin yoğunlaşması ve buna bağlı olarak yerel SU(3)c simetrisinin kırılmasıyla karakterize edilir. Cooper çiftleri renk yükü barındırdıklarından, bu tür kuark maddesi evreleri renk süperiletkeni olacak ve renk yükü, kuark maddesinden hiçbir dirençle karşılaşmadan geçebilecektir.

 Notlar 

 Kaynakça 
Özel

Genel






 Konuyla ilgili yayınlar