Kuark

Kuark, bir tür temel parçacık ve maddenin temel bileşenlerinden biridir. Kuarklar, bir araya gelerek hadronlar olarak bilinen bileşik parçacıkları oluşturur. Bunların en kararlıları, atom çekirdeğinin bileşenleri proton ve nötrondur. Renk hapsi olarak bilinen olgudan ötürü kuarklar asla yalnız bir şekilde bulunmaz, yalnızca baryonlar ve mezonlar gibi hadronlar dahilinde bulunabilir. Bu sebeple kuarklar hakkında bilinenlerin çoğu hadronların gözlenmesi 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 (elektromanyetizma, kütleçekim, güçlü etkileşim ve zayıf etkileşim) tümüyle de etkileşen, aynı zamanda elektrik yükü temel yükün tam sayı katı olmayan tek temel parçacık ailesidir.
Yukarı, aşağı, tılsım, garip, üst ve alt olmak üzere çeşni olarak bilinen altı tip kuark bulunur. Yukarı ve aşağı kuark, bütün kuarklar içinde en düşük kütleli olanlardır. Daha ağır kuarklar parçacık bozunması yoluyla aşağı ve yukarı kuarka dönüşür, yani yüksek kütle durumundan daha düşük kütle durumuna dönüşüm yaşanır. Bu sebeple yukarı ve aşağı kuarklar evrende en yaygın olarak bulunanlardır. Bununla birlikte tılsım, garip, üst ve alt kuarklar sadece yüksek enerjili çarpışmalarda (kozmik ışınlar ve parçacık hızlandırıcılarda) oluşabilir. Her kuark çeşnisi için ona karşılık gelen bir tane de antiparçacık bulunur. Antikuark denilen bu parçacık, bazı özelliklerinin aynı büyüklükte fakat ters işaretli olması ile kuarktan ayrılır.
Kuark modeli, 1964'te Murray Gell-Mann ve George Zweig tarafından birbirlerinden bağımsız olarak ortaya atıldı. Kuarklar, hadronlar için oluşturulan bir düzenleme şemasının parçaları olarak tanımlandı. Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezinde (günümüzdeki adıyla SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı) 1968 yılında yapılan ve sonuçları 1969'da yayımlanan derin inelastik saçılma deneyleriyle birlikte kuarkların varlığı fiziksel olarak kanıtlandı. Zaman içinde altı çeşninin tamamı, gerçekleştirilen hızlandırıcı deneyleriyle ispat edildi. Keşfedilen son kuark olan üst kuarkın keşfi ise 1995'te, Fermilab'da gerçekleşti.
Sınıflandırma
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 anti kuark 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 aynı iki 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 bilinen bileşke 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 pentakuarklar () 2015 yılında LHCb deneyi sırasında keşfedilirken tetrakuarkların () varlığı henüz ispatlanamamıştır.
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 kesirlerin de 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 var olmadığından, kütleçekim Standart Model ile açıklanamaz.
Geçmişi
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 bir parçacık sınıflandırma sistemi formülasyonundan sonra geldi. Yuval Ne'eman da aynı yıl, bağımsız bir şekilde sekiz katlı yola benzer bir şema geliştirdi.
Kuark teorisi ortaya çıktığında, diğer parçacıklarla birlikte çok sayıda hadron da "particle zoo" dahilindeydi. Gell-Mann ve Zweig hadronların temel parçacık olmadıklarını, onun 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 zaman için tam olarak anlaşılmayan bazı kavramların açıklanabilmesi için kullanılan bir soyutlama mı olduğu konusunda bir fikir ayrılığı vardı.
Bir yıl geçmeden Gell-Mann-Zweig modeli için birtakım genişlemeler önerildi. Sheldon Glashow ve James Bjorken, "tılsım" adını verdikleri kuarkların dördüncü 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 meon için Ting'in J, Richter'ın ise ψ (psi) sembolünü kullanması nedeniyle mezonun resmi 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, üst kuarkın varlığına dair bir göstergeydi; zira üst kuarkın yokluğunda alt kuark eşsiz kalmış olacaktı. Üst kuarkın gözlemlenmesi 1995'te, Fermilab'daki CDF ve DØ takımları tarafından gerçekleştirilen deneylerde yaşandı. Bu kuarkın kütlesi, daha önce öngörülenden daha büyüktü.
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 bir şekilde kabul görünce Gell-Mann'ın kullandığı terim kabul gördü.
Kuark çeşnilerinin isimleri ise farklı nedenlere bağlı olarak verildi. Yukarı ve aşağı kuarklar, taşıdıkları izospinin yukarı ve aşağı bileşenleri olduklarında dolayı bu isimleri aldılar. Garip kuarklar, kuark modeli ortaya çıkmadan yıllar önce kozmik ışınlarda keşfedilen garip parçacıkların bileşenleri olarak keşfedildiklerinde bu 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 simetriyle büyülenmiş ve sevinmiştik" dedi. Alt ve üst kuark isimleri Harari tarafından, "yukarı ve aşağı kuarkların mantıksal eşleri" oldukları için 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 adı verilen yukarı, tılsım ve üst kuarkların elektrik yükü + iken; aşağı tip kuarklar olarak adlandırılan aşağı, garip ve alt kuarklar - elektrik yüküne sahiptir. Antikuarklar, eşlerinin tersi elektrik yüküne; yukarı tip antikuarklar - ve aşağı tip antikuarklar elektrik yüküne sahiptir. Bir hadronun elektrik yükü, barındırdığı kuarkların elektrik yükleri toplamına eşit olduğundan bütün hadronlar tam sayı yüklere sahiptirler. Üç kuarkın (baryonlar), üç antikuarkın (antibaryonlar) ve bir kuark ve bir antikuarkın (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 biriminden olan bir vektörle gösterilebilir. Kuarklar için herhangi bir eksen boyunca spin vektörü bileşeninin ölçümü yalnızca +ħ/2 ya da -ħ/2 değerlerini verebildiğinden kuarklar spin parçacıklar olarak sınıflandırılır. Spinin verilen bir eksendeki -genel kabulle z eksenindeki- bileşeni, + değeri için yukarı ok ↑ işareti ile ve - değeri için aşağı ok işareti ile ifade edilir. Örneğin z ekseni boyunca spini + olan bir yukarı kuark u↑ ile ifade edilir.
Zayıf etkileşim
Bir çeşninin kuarkı, başka bir çeşninin kuarkına sadece, parçacık fiziğindeki dört temel kuvvetten biri olan zayıf etkileşim ile dönüşebilir. W bozonu yayımı veya soğurulması yoluyla herhangi bir türden yukarı tip kuark (yukarı, tılsım ve üst kuarklar) herhangi bir türden aşağı tip kuarka (aşağı, garip ve alt kuarklar) 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) ayrıldığı beta bozunması radyoaktif sürecine sebep olur (sağ kısımdaki diygram). Bu olay nötrondaki (udd) aşağı kuarklardan birinin sanal bir W- parçacığı yayarak bir yukarı kuarka dönüşmesi ile olur. Sonuçta nötron protona (uud) dönüşür. Sonrasında W- bozonu da bir elektron ve bir elektron antinötrinosuna dönüşür.
Beta bozunması ve onun tersi olan süreç olan ters beta bozunması, pozitron emisyon tomografisi (PET) gibi tıbbi uygulamalarda ve nötrino keşfi gibi yüksek enerji deneylerinde kullanılır.
Çeşni dönüşüm süreci bütün kuarklar için aynı iken her kuark kendi neslinden bir kuarka dönüşme eğilimindedir. Bütün çeşni dönüşümleri için göreli eğilimler Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrisi (CKM matrisi) olarak bilinen bir matematik tablosu ile tanımlanır. CKM matrisi elemanlarının yaklaşık değerleri şu şekildedir:
Buradaki Vij, i çeşnili kuarkın j çeşnili kuarka (veya tam tersi) dönüşümünün eğilimini gösterir.
Leptonlar (yukarıdaki beta bozunması diyagramındaki W bozonunun sağı tarafı) için de bunun eşdeğeri olan Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata matrisi (PMNS matrisi) bulunur. CMK ve PMNS matrisleri birlikte bütün çeşni dönüşümlerini tanımlar ancak ikisi arasındaki bağlantı henüz net değildir.
Güçlü etkileşim ve renk yükü
Kuantum renk dinamiğine göre kuarklar, renk yükü olarak adlandırılan bir özelliğe sahiptir. Renk yükünün mavi, yeşil ve kırmızı olmak üzere rastgele belirlenmiş üç türü bulunur. Bunlardan her biri, sırasıyla antimavi, antiyeşil ve antikırmızı olmak üzere birer antirenk ile tamamlanır. Her kuark bir renk taşırken her antikuark da bir antirenk taşır.
Üç rengin farklı kombinasyonları ile yüklenmiş kuarklar arasındaki çekme ve itme sistemi güçlü etkileşim olarak adlandırılır. Güçlü etkileşime, gluonlar denilen 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; üç (anti)kuark, birer (anti)renk benzer şekilde bağ oluşturacaktır. 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 sonuçlanacaktır.
Modern parçacık fiziğinde ayar simetrileri, parçacıklar arası etkileşimlerle ilgilidir. SU(3) (genellikle SU(3)c şeklinde kısaltılır) rengi, kuarklardaki renk yüküyle ilgili ayar simetrisidir ve kuantum renk dinamiği için tanımlayıcı simetridir. Kuantum renk dinamiğinin fiziği, üç boyutlu renk uzayında hangi yönlerin mavi, kırmızı ya da yeşil olarak tanındığından bağımsızdır. SU(3)c renk dönüşümleri renk uzayındaki dönmelere denk gelir (matematiksel ifadeyle bir karmaşık uzay). Kuarkların renklerine göre fB, fG, fR alt türleri olan her kuark çeşnisi (f) bir triplet oluşturur: SU(3)c'ün temel temsili altında dönüşen üç bileşenli bir kuantum alanı. SU(3)c'ün yerel olması, güçlü etkileşimin özelliklerini, bilhassa kuvvet taşıyıcıları olarak sekiz gluon türünün varlığını belirler.
Kütle
Kuarkların kütleleri, kuarkın kendi başına olan kütlesini ifade eden çıplak kuark kütlesi ile, kuarkın ve onu çevreleyen gluon parçacık alanının kütlesinin toplamını ifade eden bileşik kuark kütlesi olmak üzere iki farklı şekilde gösterilir. Çoğu hadronun kütlesi, kuarkların kütlelerinden ziyade kuarkları bir arada tutan gluonların kütlelerinden gelir. Gluonlar tabiatları gereği kütlesiz olurken sahip oldukları enerji (özellikle kuantum renk dinamiği bağlanma enerjisi), hadronların kütlelerinin çoğunluğunu oluşturur. Örneğin protonun 938 MeV/c2 olan durgun kütlesine, bileşeni oluşturan üç değerlik kuarkın katkısı 11 MeV/c2 iken geriye kalanın çoğu gluonların kuantum renk dinamiği bağlanma enerjisine atfedilebilir.
Standart Model'e göre temel parçacıkların kütleleri, Higgs bozonu ile bağlantılı olan Higgs mekanizmasından kazanır. Fizikçiler, kütlesi (~171 GeV/c2) olan üst kuarkın kütlesi üzerine yapılacak olan ilerdeki araştırmaların kuarkların ve diğer temel parçacıkların kütlelerinin orijinine dair daha fazla bilgi vereceğini düşünürler.
Özellikler tablosu
Aşağıdaki tablo altı kuarkın başlıca yapısal özelliklerini özetler. Çeşni kuantum sayıları (izospin (I3), tılsım (C), gariplik (S), üstlük (T) ve altlık (B′)) belli kuark çeşnilerine atanmıştır ve kuark temelli sistemlerin ve hadronların niteliklerini gösterir. Baryonlar üç kuarktan oluştuğundan, baryon sayısı (B) bütün kuarklar için +'tür. Antikuarklar için elektrik yükü (Q) ve diğer bütün 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.
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, gluonlar olarak bilinen kütlesiz vektör ayar bozonları aracılık eder. Her bir gluon, birer renk yükü ile antirenk yükü taşır. Parçacık etkileşimlerinin standart referans sisteminde gluonlar, kuarklar arasında sürekli olarak sanal emisyon ve absorbsiyon yolları ile takas edilir. Bir gluon kuarklar arasında taşındığında, hem kuarkta hem de gluonda renk değişimi olur. Örneğin bir kırmızı kuark bir kırmızı-antiyeşil gluon yayarsa, yeşile ya da bir yeşil kuark bir kırmızı-antiyeşil gluon soğurursa kırmızıya dönüşür. Böylece, her kuarkın rengi sürekli değişirken güçlü etkileşim korunmuş olur.
Gluonlar renk taşıdıklarından, diğer gluonları yayma ve soğurma yetisine sahiptirler. Bu da asimptotik özgürlük olarak adlandırılan kuarkların birbirlerine yakınlaşırken aralarındaki renk dinamiği bağlanma kuvvetinin zayıflamasına sebep olur. Diğer taraftan kuarklar arasındaki mesafe arttığında bağlanma kuvveti de güçlenir. Renk alanı gerilmiş bir hale gelir ve alanı güçlendirmek için uygun renkten daha çok gluon kendiliğinden yaratılır. Belli enerji eşiğinin üzerinde kuark ve antikuark çiftleri üretilir. Çiftler, ayrılmış kuarklar ile bağlanır ve yeni hadronların oluşmasına sebep olur. Kuarkların hiçbir zaman izole bir şekilde görülemeyeceğini söyleyen bu olgu renk hapsi olarak tanımlanır. Bu hadronlaşma süreci, yüksek enerjili çarpışmalarda oluşan kuarkların bir başka yolla etkileşime girmeye başlamasından önce meydana gelir. 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 biçimde olma eğilimindedir. Bu bulut sanal gluonlardan oluşan dıştaki başka bir katmanla tamamlanır. Bu katmanlar çevrelediği değerlik kuarka göre bir renk alır. Kuantum renk dinamiği, değerlik kuarkın antirengini taşıyan buluttaki sanal antikuarkların alanın içinde daha yakın olmalarını sağlar. Örneğin kırmızı bir kuark için, antikırmızı sanal antikuarklar, kırmızı sanal kuark eşlerinden ziyade kırmızı değerlik kuarka yakınlaşma eğiliminde olacaktır.
Kuark maddesinin diğer evreleri
Yeterli düzeyde uç şartlar altında, kuarklar hapisten kurtularak serbest parçacık haline gelebilir. Asimptotik özgürlük boyunca, yüksek sıcaklıkta güçlü etkileşim zayıflar. Nihayetinde renk hapsi kaybolacak ve serbest hareket eden kuarklar ve gluonların son derece sıcak bir plazması oluşabilecektir. Maddenin bu teorik evresine kuark-gluon plazması adı verilir. Bu durum için gerekli olan kesin koşullar bilinmemekle birlikte çeşitli tartışma ve deney konusu olmuştur. 2000'lerdeki tahminler, gerekli sıcaklığın kelvin olduğunu gösterir. 1980'lerde ve 1990'larda Avrupa Nükleer Araştırma Merkezinde (CERN) yapılan denemelere karşın şimdiye kadar serbest kuarklar ve gluonlar için gereken koşullara hiçbir zaman erişilememiştir. Öte yandan 2000'li yıllarda Göreli Ağır İyon Çarpıştırıcısı'nda gerçekleştirilen deneyler sonucunda "neredeyse kusursuz" akışkan hareketi yapan sıvı benzeri kuark maddesi için kanıtlar bulunmuştur.
Kuark-gluon plazması, ağır kuark çiftlerinin sayı bakımından yukarı ve aşağı kuark çiftlerinden büyük farkla fazla olması ile nitelendirilebilir. Hadronların kararlı olamayacağı kadar yüksek bir sıcaklığa sahip olan Büyük Patlama sonrasındaki 10−6 saniyeden öncesinde, kuark dönemi olarak adlandırılan dönemde, evrenin kuark-gluon plazması ile dolu olduğu düşünülür.
Yeterli düzeyde yüksek baryon yoğunluklarında ve görece düşük sıcaklıklarda kuark maddesinin, zayıf etkileşen kuarkların Fermi sıvısına yozlaşması beklenir. Bu sıvı renkli kuark Cooper çiftlerinin yoğunlaşması ve böylece de yerel SU(3)c simetrisinin kırılması ile karakterize edilebilir. Cooper çiftleri renk yükü barındırdıklarından, buna benzer kuark maddesi evreleri renk süperiletkeni olacaklar; renk yükü, kuark maddesinden hiçbir dirençle karşılaşmadan geçebilecektir.