Proton

Kwarkom, które są składnikami materii przypisujemy ładunek kolorowy. Pojedyncze kwarki nie mogą istnieć, muszą się łączyć w takie układy aby całkowity kolor był równy zero. Nazywamy je hadronami (hadron to historycznie cząstka silnie oddziałująca). Kwarki sklejone są ze sobą za pomocą gluonów - kwantów oddziaływania silnego. Kwarki wymieniają gluony między sobą i dlatego są trwałe. Masa hadronów, w przeciwieństwie do makroskopowych cząstek, nie jest sumą mas jego składników. Co szokuje masa kwarków wnosi około 2% do masy danego hadronu. Pozostała część masy pochodzi, zgodnie z zasadą równoważności Einsteina z energii pola oddziaływań silnych, niezbędnej do utrzymania kwarków w małej objętości (ujemna energia wiązania kwarków).
Istnieją dwa podstawowe rodzaje hadronów: bariony i mezony ale ostatnio odkryto cząstki składające się z pięciu kwarków.

Neutron

Bariony to cząstki zbudowane z trzech kwarków. Znanych jest około 120 takich cząstek. Barionami są nukleony czyli składniki jądra: proton i neutron.
Proton składa się z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego (uud), a neutron z dwóch dolnych i jednego górnego (udd). Proton jest jedynym barionem stabilnym, czyli nie ulega żadnemu rozpadowi (możliwy jest tylko rozpad protonu wewnątrz niektórych jąder w postaci rozpadu beta plus). Neutron będąc niezwiązany rozpada się na proton, elektron i antyneutrino elektronowe. Średni czas życia neutronu wynosi jedynie około 930 sekund (piętnaście minut). Ten sam neutron w jądrze atomu jest jednak stabilny, bo jego rozpad zwiększyłby masę jądra. Mówimy, że neutron w jądrze jest warunkowo stabilny.

Hiperony lambda i sigma minus. Sześciany obrazują kwarki górne, czworościany dolne, a kulki dziwne. Kwarki mogą mieć kolor niebieski, czerwony i zielony. Cały barion jest bezbarwny.

Innym przykładem barionu zbudowanego z kwarków pierwszej rodziny jest cząstka delta++ (Δ⁺⁺), mająca podwójny ładunek dodatni i składająca się z trzech kwarków dolnych ale każdy o innym kolorze (uuu). Niestety średni czas życia cząstki delta++ jest bardzo krótki (krótszy od 10^-20 sekundy. Takie cząstki nazywamy rezonansami.
Hadrony zawierające co najmniej jeden kwark dziwny nazywamy barionami dziwnymi lub hiperonami. Średni czas życia tylko niektórych hiperonów jest rzędu 10^-10 sekundy. Pozostałe są rezonansami. Najlżejszym i najbardziej trwałym jest hiperon lambda (Λ⁰) składający się z kwarka górnego, dolnego i dziwnego (uds). Kolejnymi hiperonami stosunkowo trwałymi są (uszeregowane według wzrastającej masy): sigma plus (Σ⁺) składający się z dwóch kwarków górnych i jednego dziwnego (uus), sigma zero (Σ⁰) - (uds), sigma minus (Σ^-) - (dds), ksi zero - (uss), ksi minus (Ξ^-) - (dss) i omega minus (Ω⁺⁺) - (sss).
Odkryto również hadrony zawierające kwark powabny c, nazywa się je barionami powabnymi. Najbardziej trwałym barionem powabnym jest cząstka delta c (Δ_c) składająca się z kwarka dolnego, górnego i powabnego (udc).
W 2014 roku fizycy z laboratorium CERN w Genewie ogłosili odkrycie dwóch nowych cząstek składających się z trzech kwarków należących do trzech różnych rodzin: dolnego (d), dziwnego (s) i pięknego (b) zwanego inaczej dennym. Obecność cięższych kwarków s i b powoduje, że obserwowane cząstki są ponad sześciokrotnie cięższe od protonu. Do ich wytworzenia potrzebne są więc duże energie wiązek akceleratora LHC. Średni czas życia takiego dziwnego i pięknego barionu jest bardzo krótki i wynosi (10^-12 sekundy).
Ponieważ kwarki mają spis połówkowy to wszystkie cząstki składające się z nieparzystej liczby kwarków, a więc również bariony mają spin połówkowy. Bariony wobec tego podlegają zakazowi Pauliego i nie mogą występować w tym samym miejscu w tym samym stanie.

Pion

Mezony to obiekty złożone z układu kwark - antykwark. Występuje około 140 takich cząstek. Mezonem jest pion, czyli mezon <Π występujący w trzech odmianach ładunkowych: pion plus (π⁺) składający się z kwarka u i antykwarka d (u, anty-d), pion minus (π^-) (anty-u, d) i pion zero (π⁰) (anty-u, u) lub (anty-d, d). Innym przykładem dość trwałego mezonu jest kaon czyli mezon K mający również cztery odmiany: kaon plus (K⁺) składający się z kwarka górnego u i antykwarka dziwnego s (u, anty-s), kaon minus (K^-) (anty-u, s), kaon zero (K⁰) (d, anty-s) lub (anty-d, s). Obiekty składające się z parzystej liczby kwarków, w tym mezony mają spin całkowity i nie podlegają zakazowi Pauliego, czyli mogą występować w tym samym stanie kwantowym.
Obiekty złożone z czterech kwarków nie mogą istnieć ponieważ nie są obojętne kolorowo. Podobnie układy składające się z dwóch kwarków np. dd czy ud miałyby kolor i nie są obserwowane doświadczalnie.

Przewidywany scenariusz powstania pentakwarka. Po wpływem uderzenia kwantu gamma w jądro węgla powstają: pentakwark, kaon (mezon K-) oraz proton. Po około 10-20 sekundy pentakwark rozpada się na neutron oraz kaon (mezon K+)

Kolorowy ładunek musi być zachowany. Kwarki wewnątrz hadronu absorbują i emitują gluony, zmieniając przy tym kolor. Dlatego nie można zaobserwować koloru poszczególnych kwarków. Wewnątrz hadronu kolor dwóch kwarków wymieniających gluon będzie się zmieniał w ten sposób, by utrzymać cały układ w stanie kolorowo neutralnym.
Okazuje się, że masa hadronów pochodzi od energii kinetycznej kwarków i gluonów, zaś masa spoczynkowa jest jedynie niewielkim ułamkiem. Dotyczy to również protonów i neutronów. Tak więc źródłem prawie całej masy wszystkich obiektów, z którymi obcujemy na co dzień, są ruchy kwarków i gluonów wewnątrz protonów i neutronów.


Hadrony o większej liczbie kwarków większej niż trzy nazywane są hadronami egzotycznymi. Trwają usilne starania stworzenia w labolatorium takich cząstek. W 2003 roku dwa niezależne zespoły fizyków natrafiły na cząstkę, która wydawało się, składała się z czterech kwarków i jednego antykwarka, stąd tymczasowo nazwano ją pentakwarkiem. Rzekomego odkrycia dokonały zespoły Takashi Nakano w synchrotronie SPring-8 w pobliżu Kobe (Japonia) oraz Kena Hicksa w akceleratorze laboratoriów Jeffersona w Newport News (USA). Promieniami gamma oświetlali oni jądra atomów węgla. Kwanty gamma o dużej energii zderzały się w jądrze z neutronami, a odłamkami niektórych kolizji okazały się cząstki złożone z pięciu kwarków: dwóch kwarków górnych, dwóch dolnych i antykwarka dziwnego. W następnych latach pojawiły się również doniesienia o odkryciu innych stanów związanych utworzonych przez pięć kwarków. Niestety dalsze analizy do 2014 roku nie potwierdziły tch odkryć. Prawdopodobnie pozytywny sygnał był efektem niedoszacowania wkładu tła, czyli naturalnych zakłóceń.
W 2013 roku, w japońskim centrum High Energy Accelerator Research, najprawdopodobniej została odkryta cząstka zbudowana z czterech kwarków. W 2014 roku Forschungszentrum Jülich uzyskało sygnał wskazujący na powstanie

Dziwadło składające się z ponad 1000 kwarków. Sześciany obrazują kwarki górne, czworościany dolne, a kulki dziwne. Kwarki mogą mieć kolor niebieski, czerwony i zielony. Całe dziwadełko jest bezbarwne.

dibarionu, czyli cząstki złożonej z sześciu kwarków, chociaż natura tego obiektu nie jest jasna, nie wiadomo też czy jest to pojedyncza cząstka, czy też układ złożony z dwóch silnie oddziałujących hadronów. Czekamy na potwiewierdzenie tych informacji i nowe odkrycia.


W 1984 roku fizycy obliczyli, że mieszanina ponad 1000 kwarków górnych "u", dolnych "d" i dziwnych "s" w równych ilościach i jednakowych ilościach kolorów (kolor kwarku może być czerwony, zielony i niebieski) powinna być stabilna i bardzo trwała, trwalsza od jąder żelaza uznawanych za najbardziej stabilne. Taki duży hadron ze względu na to, że zawiera kwark dziwny nazywamy dziwadłem lub dziwadełkiem, a obiekt składający się ogromnej ilości kwarków materią dziwną. Gęstość dziwadełka jest jeszcze większa niż jądra atomowego. Jeśli ta hipoteza jest prawdziwa, to cały nasz normalny świat może przejść do stanu dziwnego.
Aby powstała kropelka dziwadełka musi istnieć chwilowo jądro zawierające około 400 nukleonów i jednocześnie 400 kwarków dolnych d powinno zamienić się na kwarki dziwne s. Do tego jednak potrzeba bardzo dużo energii. Gdyby jednak takie dziwadełko przypadkowo powstało to być może pochłaniać będzie dalsze nukleony (zwłaszcza neutralne neutrony) i będzie się rozrastać. Być może materia dziwna jest podstawowym stanem materii we Wszechświecie.
Astrofizycy przypuszczają, że takie obiekty zbudowane z ogromnej liczby kwarków u, d, s istnieją w kosmosie. Nazywamy je gwiazdami kwarkowymi lub dziwnymi. Są dwie hipotezy powstawania gwiazd kwarkowych. Pierwsza zakłada przekształcenie się nowo powstałej gwiazdy neutronowej w materię dziwną, gdy przypadkowo powstanie dziwadełko, a następnie bez przeszkód pochłaniać będzie neutrony, które są podstawowym składnikiem otaczającego ośrodka. Cała gwiazda neutronowa zostaje zjedzona w ciągu niespełna minuty i zamienia się w gorącą gwiazdę dziwną. W drugim scenariuszu gwiazda neutronowa, już niekoniecznie młoda, jest składnikiem ciasnego układu podwójnego i pochłania gaz z otoczki gwiezdnego towarzysza. Z upływem czasu rośnie dzięki temu masa i zwiększa się też gęstość materii w jej centrum. W pewnym momencie w środku pojawia się niewielkie dziwadełko i po krótkim czasie zamienia się w gwiazdę neutronową.
Opracowano na podstawie czasopisma Świat Nauki nr 3/2005.

---