Quarc

Quarcul (cuarcul, sau quarkul, pluralul quarcuri sau cuarcuri) este o particula elementara care interactioneaza prin forta nucleara puternica si care constituie materia "grea" (numita si barionica).

Quarcul in structura materiei

Dupa un sir lung de experiente si descoperiri, se cunoaste in prezent ca materia este formata din molecule si moleculele din atomi care definesc elementele chimice, descoperite la sfarsitul secolului al XVIII-lea de catre Lavoisier. Dupa descoperirea periodicitatii elementelor si tabelului lui Mendeleev in a doua jumatate a secolului al XIX-lea, s-a ajuns la inceputul secolului al XX-lea la o imagine a atomilor cu un nucleu dens, punctiform si masiv in jurul caruia "oscileaza" electronii.

Nucleul atomic insa s-a dovenit mai apoi a fi si el divizibil si continind nucleoni (protoni si neutroni). La inceputul anilor 1970 s-a demonstrat insa experimental ca si nucleonii sunt de fapt compusi, iar componentii lor, botezati "quarcuri" (en: Quark s) de catre fizicianul teoretician Murray Gell-Mann, sunt considerati a fi indivizibili, adica particule elementare ca si electronii.

Tipuri si proprietati

Quarcurile sunt particule de spin 1/2, din familia de fermioni (un fermion, doi fermioni), nume generic atribuit particulelor care au proprietatea ca nu se pot gasi in aceeasi stare cuantica, spre deosebire de bozoni, particule cu spin intreg sau zero (0, 1, 2, ), care au adesea rolul de mediator sau de "transportor" de radiatie ( Electric field or Force carrier) si care se pot acumula ( sau "condensa") in aceeasi stare cuantica.

Quarcurile exista cu sase feluri de "aroma": up (u), down (d), strange (s), charm (c), bottom (b) si top (t). Masele lor cresc de la valori mici (quarcul up, doar o a mia parte din masa protonului) pana la foarte greu, quarcul top fiind tot la fel de masiv ca un atom de aur, ceea ce este remarcabil pentru orice particula elementara.

O alta caracteristica tipica a quarcurilor este sarcina electrica fractionara: +2/3 pentru u,c,t si -1/3 pentru d,s,b.

Cele 6 tipuri de quarcuri au urmatoarele caracteristici fundamentale:aroma

: sus u, jos d, farmec c, straniu s, top t si bottom: b

Clasificare

Modelul Standard (SM) este sistemul teoretic formulat in 1974 care descrie toate particulele elementare cunoscute pana in prezent, plus bosonul Higgs (care nu a fost inca observat pana in martie 2009). Acest model contine 6 arome de quarcuri, care se numesc: up, down, charm, strange, top si bottom.

Masa particulelor elementare ar rezulta din interactiile particulelor elementare cu bozonii Higgs cind acestea se afla in miscare in vidul fizic ocupat de acesti bozoni "fundamentali". Pentru a-i scoate, sau 'genera' din vid, energiile necesare sunt de ordinul a 1 Tera electron volt (1 TeV) estimate cu valori diferite de citeva variante teoretice. Se anticipeaza ca bozonii Higgs vor fi curind pusi in evidenta pentru prima data la unul din cele doua acceleratoare de virf- la CERN si in SUA-- doua Tevatroane capabile de astfel de energii inalte si de detectare de bozoni (Higgs ?)

Agregarea quarcurilor in particule mai grele

Majoritatea particulelor descoperite la energii inalte, in acceleratoare de particule sau in radiatiile cosmice (o lunga serie de peste 150 de particle diferite, intre care protonul si neutronul sunt cele mai bine cunoscute) sunt formate din combinatii de quarkuri. Aceste particule sunt clasificate in doua mari categorii: mezonii (formati din doua quarkuri) si barionii (formati din trei quarkuri, cum sunt protonul si neutronul). Protonul (nucleul atomului de hidrogen) este format din doi quarcuri 'up' si un quark 'down' (uud). Neutronul, partenerul neutru al protonului in formarea nucleelor mai grele, este format din trei quarcuri, doi quarcuri down si un alt quarc up: udd. Astfel, sarcina protonului este u(+2/3) +u(+2/3) +d(-1/3) = +1, iar sarcina neutronului este u(+2/3) +d (-1/3) + d(-1/3) = 0, asa cum au fost masurate experimental.

In 2001 au fost semnalate in experimentele de fizica energiilor inalte si particule formate din cinci quarkuri (penta-quarkuri). Pentru ca situatia experimentala nu este foarte clara, unele teorii ar permite existenta acestui tip de particule.

Structura quarcurilor

Structura quarcurilor este un lucru despre care se vorbeste des din punct de vedere teoretic, dar cu privire la structura fina a spinului protonului exista date recente experimentale care atesta contributii partonice de polarizare a quarcurilor "stranii" din vidul fizic. Exista mai multe propuneri pentru o eventuala structura, dar aceste propuneri se bazeaza mai degraba pe considerente logice si de buna inspiratie, doar cu legaturi indirecte cu experientele. Cateva exemple sunt modelele rishonilor, partonilor si ale preonilor, propuse in anii 1980.

Descoperire si etimologie

Eminentii fizicieni teoreticieni Murray Gell-Mann si George Zweig au propus independent in 1964 modelul de quarcuri.

Cuvantul quark (scris in romaneste si in varianta quarc) a fost ales de fizicianul Murray Gell-Mann, laureat al Premiului Nobel pentru Fizica, inspirat de romanul Finnegan's wake al lui James Joyce si este asociat cu servirea berei in cupe de un quart in Anglia in evul mediu ("three quarks for master Mark"). In limba romana, substantivul quarc (sau 'quark') a fost adoptat ca neologism din limba engleza si este de gen neutru (un quarc, doua quarcuri).

Pana in anul 1968 n-au existat dovezi experimentale ferme de existenta quarcurilor. Atunci, ciocniri de inalta energie de electroni cu protoni (experiente de imprastiere) au indicat ca electronii sunt imprastiati de trei constituenti punctuali (quarcurile) din interiorul protonului.

In final, in 1995, quarcul 'top' a fost observat la Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in SUA, si deci toate aromele de quarcuri au fost astfel observate.