ΚΟΥΑΡΚ

Τα κουάρκ είναι μία από τις τρεις οικογένειες σωματιδίων (οι άλλες δύο είναι τα λεπτόνια και οι μεσολαβητές των δυνάμεων) που σχηματίζουν από τα πιο μικρά μέχρι τα μεγαλύτερα σώματα στην φύση. Κάθε τι που γνωρίζουμε μέχρι σήμερα στο σύμπαν μας κατασκευάζεται από αυτές τις τρεις οικογένειες σωματιδίων.

Υπάρχουν έξι κουάρκ : το up – πάνω (u), το charm – χαρισματικό (c) και το top – κορυφή (t), που έχουν θετικό φορτίο + 2e/3
και επίσης το down – κάτω (d), το strange – παράδοξο (s) και το bottom – πυθμένας (b) που έχουν αρνητικό φορτίο – e/3.   

Τα κουάρκ έχουν σπιν ħ/2 και εκτός από το ηλεκτρικό φορτίο (που είναι κλάσμα του φορτίου του πρωτονίου e), μεταφέρουν και ένα άλλο είδος φορτίου που ονομάζουμε χρώμα. Όπως το ηλεκτρικό φορτίο είναι η πηγή της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, έτσι και το χρώμα είναι η πηγή της ισχυρής πυρηνικής δύναμης που αναπτύσσεται μεταξύ των κουάρκ.

Τα κουάρκ αλληλεπιδρούν μέσω και των τεσσάρων θεμελιωδών δυνάμεων.

Ένα κουάρκ δεν μπορεί να βρεθεί ελεύθερο, αλλά, λόγω της δράσης της ισχυρής πυρηνικής δύναμης, βρίσκεται πάντα “αιχμάλωτο” μέσα σε σωματίδια που ονομάζονται βαρυόνια και μεσόνια. Κάθε βαρυόνιο αποτελείται από τρία κουάρκ και κάθε μεσόνιο από ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ.  Για παράδειγμα, το πρωτόνιο είναι βαρυόνιο και αποτελείται από δύο u κουάρκ και ένα d κουάρκ  (uud), ενώ το σωματίδιο π^–  είναι μεσόνιο και αποτελείται από ένα d κουάρκ και ένα ū αντικουάρκ (dū).

Για να δούμε την δομή των κουάρκ μέσα στα βαρυόνια, τα βομβαρδίζουμε με ηλεκτρόνια, κάτι που θυμίζει το πείραμα του Rutherford για την ανακάλυψη της δομής του ατόμου. Η γωνιακή κατανομή των θραυσμάτων εξαρτάται από την δύναμη που αναπτύσσεται  ανάμεσα στην “δέσμη” και τον “στόχο” και από το μέγεθος τους.

Όταν ηλεκτρόνια μεγάλης ενέργειας συγκρουστούν με πρωτόνια, τα ηλεκτρόνια σκεδάζονται σε μεγάλες γωνίες και τα πρωτόνια “θρυμματίζονται” σχηματίζοντας έναν πίδακα σωματιδίων κυρίως από μεσόνια. Το περίεργο είναι ότι όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια του ηλεκτρονίου, τόσο περισσότερο τα κουάρκ συμπεριφέρονται σαν να είναι ελεύθερα σωματίδια μέσα στο πρωτόνιο (ασυμπτωτική ελευθερία). Αυτό το φαινόμενο δηλώνει ότι η ισχυρή πυρηνική δύναμη ελαττώνεται, όταν τα κουάρκ πλησιάζουν μεταξύ τους.

Το u και το d είναι τα ελαφρύτερα κουάρκ και σχηματίζουν τα ελαφρύτερα βαρυόνια (πρωτόνιο,  νετρόνιο) και τα ελαφρύτερα μεσόνια,
τα λεγόμενα πιόνια (π^–, π⁺ , π⁰ ).
Το πρωτόνιο και το νετρόνιο μαζί με το ηλεκτρόνιο αποτελούν την συνηθισμένη ύλη από την οποία έχουν σχηματιστεί τα άτομα και τα μόρια. 

Τα δύο ελαφρά κουάρκ έχουν σχεδόν την ίδια μάζα. Το u είναι ελάχιστα ελαφρύτερο από το d κουάρκ, και αυτό κάνει το πρωτόνιο (uud) ελάχιστα ελαφρύτερο από το νετρόνιο (udd). Μια συνέπεια του ότι το d κουάρκ είναι βαρύτερο από το u, είναι ότι μέσα στο νετρόνιο μπορεί να μετατραπεί ένα από τα d κουάρκ του σε u κουάρκ – μέσω της ασθενούς δύναμης – και να ελευθερωθεί ενέργεια, η οποία μετατρέπεται σε ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο. Αυτό το φαινόμενο είναι η ραδιενεργός β-διάσπαση. Η μετατροπή αυτή μετατρέπει το νετρόνιο σε πρωτόνιο, δηλαδή μετατρέπει ένα είδος ατόμου σε ένα άλλο. 
Η δημιουργία των φυσικών στοιχείων στο εσωτερικό των άστρων οφείλεται σε αυτούς τους μετασχηματισμούς μεταξύ του u και του d κουάρκ.

Το s κουάρκ έχει ηλεκτρικό φορτίο – e/3, το ίδιο με το d κουάρκ, αλλά είναι περισσότερο από 100 MeV/c²  βαρύτερο. Έτσι τα παράδοξα σωματίδια, δηλαδή τα σωματίδια που περιέχουν ένα ή περισσότερα s κουάρκ ή αντικουάρκ, είναι  βαρύτερα από τα αντίστοιχα σωματίδια που σχηματίζονται από τα ελαφρύτερα u και d κουάρκ. Για παράδειγμα, το μεσόνιο Κ^– (sū) έχει μάζα περίπου 500 MeV/c² , ενώ το μεσόνιο  π^– (dū)  έχει μάζα 140 MeV/c² .

Τα πρώτα τρία κουάρκ είχαν προταθεί από τους M. Gell-Mann και G. Zweig στα 1963, για να ερμηνεύσουν το μεγάλο πλήθος των σωματιδίων που είχαν ανακαλυφθεί στα πειράματα των κοσμικών ακτίνων.  Χρησιμοποίησαν την συμμετρία SU(3) και δόθηκαν στα κουάρκ τα ονόματα up, down και side, για να θυμίζουν την “κατεύθυνση” του σπιν ενός σωματιδίου. Η περίεργη, όμως, ιδιότητα που εμφάνιζαν τα σωματίδια που περιείχαν το τρίτο κουάρκ, το s, να ζουν πολύ περισσότερο από το αναμενόμενο, τα χαρακτήρισε παράδοξα σωματίδια και το αντίστοιχο κουάρκ έγινε strange, δηλαδή παράδοξο. 

Υπάρχουν βαρυόνια, στα οποία τα δύο από τα τρία κουάρκ είναι s, όπως είναι το βαρυόνιο Ξ^– (dss),   ή και τα τρία κουάρκ είναι s, όπως συμβαίνει
στο βαρυόνιο Ω^– (sss) . Επίσης, υπάρχουν σωματίδια, τόσο μεσόνια όσο και βαρυόνια, όπου ένα ή περισσότερα s κουάρκ ή αντικουάρκ συνδέονται με άλλα βαρύτερα κουάρκ ή αντικουάρκ (c ή b).

Η ασθενής δύναμη διασπά το s κουάρκ και το μετατρέπει σε ένα u κουάρκ, εκπέμποντας ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο, με αποτέλεσμα τα παράδοξα σωματίδια να διασπώνται πάντοτε σε άλλα ελαφρύτερα.

Τα τρία κουάρκ δεν μπόρεσαν να δώσουν απαντήσεις στην συμπεριφορά των σωματιδίων.  Μένει ιστορική η πρόκληση που απηύθυνε το καλοκαίρι του 1974 ο έλληνας θεωρητικός φυσικός Γιάννης Ηλιόπουλος στο ακροατήριο του διεθνούς συνεδρίου φυσικής υψηλών ενεργειών :

“Στοιχηματίζω με όλους σας από ένα κιβώτιο μπουκάλια κρασί ότι στο επόμενο συνέδριο το πολύκροτο νέο θα είναι η ανακάλυψη ενός νέου κουάρκ”

και κέρδισε το στοίχημα …

Η ανακάλυψη την ίδια χρονιά του μεσονίου J/ψ, που αποτελείται από ένα c κουάρκ και το αντικουάρκ του, επιβεβαίωσε την πρόβλεψη.

Το νέο κουάρκ ονομάστηκε charm (χαρισματικό ή γοητευτικό), έχει θετικό ηλεκτρικό φορτίο +2e/3, το ίδιο με το u κουάρκ, αλλά είναι περίπου 1GeV/c²  βαρύτερο. 

Η ανακάλυψη του νέου κουάρκ οδήγησε στην ιδέα ότι υπάρχει σχέση ανάμεσα στα κουάρκ και τα λεπτόνια.  

Τα u και d κουάρκ σχετίζονται με τα λεπτόνια ηλεκτρόνιο και νετρίνο του ηλεκτρονίου, στην πρώτη γενιά σωματιδίων.

Στις υψηλότερες ενέργειες μια δεύτερη γενιά από κουάρκ και λεπτόνια εμφανίζεται. Το s και το c κουάρκ σχετίζονται με τα λεπτόνια μιόνιο και νετρίνο του μιονίου. 

Επειδή το c κουάρκ έχει μάζα κατά περίπου 1GeV/c²  μεγαλύτερη από την μάζα των u, d και s κουάρκ, τα σωματίδια που το περιέχουν είναι κατά 1 έως 2 GeV/c²  βαρύτερα από τα σωματίδια που αποτελούνται από τα τρία πρώτα κουάρκ. Για παράδειγμα, το μεσόνιο D⁰ (cū)  έχει μάζα 1,863 GeV/c² , ενώ, όπως είπαμε παραπάνω, το μεσόνιο Κ^– (sū) έχει μάζα περίπου 0,5 GeV/c²  .

Υπάρχουν σωματίδια, τόσο μεσόνια όσο και βαρυόνια, όπου ένα c κουάρκ ή αντικουάρκ συνδέεται με άλλα  ελαφρύτερα (u, d, s) κουάρκ.
Μπορούν, επίσης, να σχηματιστούν και σωματίδια με το βαρύτερο b κουάρκ ή αντικουάρκ. Ωστόσο τα πολύ βαριά σωματίδια είναι δύσκολο να απομονωθούν και να μελετηθούν.
Μέχρι σήμερα, για πολύ βαριά σωματίδια υπάρχουν λίγα δεδομένα.

Η ανακάλυψη μιας τρίτης γενιάς λεπτονίων στα 1976  (λεπτόνιο  τ^– ),  προφήτευε, λόγω της σχέσης λεπτονίων-κουάρκ, την ύπαρξη και μιας τρίτης γενιάς κουάρκ.

Η προφητεία εκπληρώθηκε στις 30 Ιουνίου 1977 με την ανακάλυψη του μεσονίου Υ, το οποίο αποτελείται από ένα b κουάρκ και ένα b αντικουάρκ
και ζυγίζει 9,46 GeV/c² .

Το κουάρκ b (πυθμένας) έχει ηλεκτρικό φορτίο – e/3, το ίδιο με το κουάρκ d και το κουάρκ s, αλλά είναι πολύ περισσότερο βαρύ. Επειδή έχει το ίδιο φορτίο με το παράδοξο κουάρκ,  τα σωματίδια που περιέχουν το  b κουάρκ είναι σωματίδια “όμοια” με τα παράδοξα σωματίδια (αυτά που περιέχουν s κουάρκ), αλλά είναι πέντε ως δέκα φορές βαρύτερα. Για παράδειγμα, το μεσόνιο Β^– (bū)  έχει μάζα περίπου 5 GeV/c²  , ενώ, όπως είπαμε παραπάνω, το μεσόνιο Κ^– (sū) έχει μάζα περίπου 0,5 GeV/c²  .

Το βαρύ b κουάρκ διασπάται γρήγορα στο ελαφρύτερο c κουάρκ και τα βαριά “πυθμενικά”σωματίδια γρήγορα μετατρέπονται σε άλλα πιο συνηθισμένα. Ωστόσο, η σύγκριση της παραγωγής “πυθμενικών” μεσονίων και των αντισωματιδίων τους  έχει κυρίαρχη θέση στην μελέτη της σχέσης μεταξύ ύλης και αντιύλης.

Τελικά μετά από 18 χρόνια, το 1995, ανακαλύφθηκε και το τελευταίο κουάρκ, το t , που είχε μάζα σχεδόν όσο το άτομο του χρυσού.  Η ανακάλυψη αυτή έγινε από τα πειράματα CDF  και D0  στον επιταχυντή Tevatron του εργαστηρίου Fermilab κοντά στο Σικάγο. 

Το κουάρκ t είχε μάζα 173 GeV/c²  , ήταν δηλαδή πάνω από 30 φορές βαρύτερο από το άλλο μέλος της τρίτης γενιάς, το κουάρκ b και σχεδόν 200 φορές βαρύτερο από το πρωτόνιο.  Ονομάστηκε top (κορυφή) t, σε αντιδιαστολή με το bottom (πυθμένας) b, έχει ηλεκτρικό φορτίο +2e/3, το ίδιο με το u κουάρκ και το c κουάρκ, και αποτελεί την βαρύτερη εκδοχή τους.

Το t κουάρκ διασπάται σχεδόν αμέσως σε b κουάρκ και φαίνεται ότι δεν προλαβαίνει να συνδυαστεί με άλλα κουάρκ ή αντικουάρκ, για να σχηματίσει βαρυόνια και μεσόνια. Μέχρι σήμερα δεν έχουν ανακαλυφθεί σωματίδια που να περιέχουν το t κουάρκ.

Η ανακάλυψη του t κουάρκ ολοκλήρωσε την εικόνα των τριών γενιών των κουάρκ : d και u, s και c, b και t. Οι τρεις γενιές των κουάρκ συνδυάζονται με τις τρεις γενιές των λεπτονίων. Αυτή η συμμετρική εικόνα είναι τμήμα του καθιερωμένου μοντέλου των σωματιδίων, που αναπτύχθηκε τα τελευταία 60 χρόνια και ολοκληρώθηκε με την ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs το 2012.