4.4 Kvarkový model hadronů

Fyzikové se snažili prozkoumat vlastnosti a stavbu hadronů. Prováděli různé experimenty s rozptylem leptonů, nejčastěji elektronů, na hadronech. Leptony se uvnitř hadronů rozptylovaly na bodových objektech s nábojem a bez náboje, které se chovaly jako volné. Tyto bodové objekty byly označeny jako partony. Prokázala se tak existence vnitřní struktury hadronů.

Poznámka

• Parton je historický pojem a dnes se již nepoužívá.

 

Na druhé straně existovala snaha zjednodušit složitý systém hadronů. Jednou možností byla tzv. kvarková hypotéza.

 

Kvarková hypotéza

 

Kvarková hypotéza elegantně vysvětlovala původně pouze s pomocí tří kvarků (v současnosti to je 6 kvarků) systém tehdy známých hadronů. Zpočátku nebyla ale přijímána, a to zejména ze dvou důvodů.

 

Důvody počátečního odmítání kvarkové hypotézy

• Kvarky nebyly pozorovány jako volné částice.

• Kvarky se nedařilo ztotožnit  s partony uvnitř hadronů.

 

Existence volných kvarků

Jak víme, kvarková hypotéza předpokládala, že elektrický náboj kvarků je zlomkem elementárního elektrického náboje. V žádném známém experimentu ale nebyly pozorovány změny náboje menší než e. Při srážkách částic a jejich přeměnách nebyly pozorovány částice,  které by měly příslušné zlomkové náboje. Dalo se to vysvětlit jedině tak, že kvarky jsou velmi silně vázány uvnitř hadronů. Tento předpoklad ale na první pohled nekorespondoval s pozorovanými vlastnostmi partonů.

 

Kvarky a partony

Vazebná energie kvarků musí být mnohem větší než kinetické energie částic dosažitelné na současných urychlovačích. Partony se při rozptylových experimentech naopak chovají jako volné. Silně vázané kvarky a volné partony – to se zdálo být neslučitelné. Tento rozpor byl ale objasněn představou asymptotické volnosti kvarků.

 

Asymptotická volnost kvarků

Přitažlivá interakce kvarků má neobvyklou závislost na vzdálenosti. Síla interakce v přírodě obvykle se vzdáleností klesá (a nemusí jít vždy o fyzikální interakci). V případě interakce kvarků se naopak předpokládá, že pro blízké kvarky (uvnitř hadronů) je malá a ty se chovají jako volné, pro rostoucí vzdálenost kvarků (snaha o uvolnění kvarku) prudce roste.

 

Na základě této hypotézy bylo možné ztotožnit kvarky s nabitými partony. Partony bez elektrického náboje bylo možné ztotožnit s gluony, které zprostředkovávají silnou interakci mezi kvarky.

 

Experimentální ověření kvarkové hypotézy

I když kvarky dosud nebyly pozorovány jako volné, byly všechny prokázány nepřímo, a to experimentálním ověřením předpovědí kvarkové teorie, které se týkají přeměn hadronů.

 

Typy (vůně) kvarků

Dnes známe celkem 6 kvarků:

• u  (up, „nahoru“, protonový),

• d  (down, „dolů“, neutronový),

• s  (strange, „podivný“),

• c  (charm, „půvabný“),

• b  (bottom, beautiful, „krásný“),

• t  (top, truthful, „pravdivý“).

 

Poznámka

• Původní teorie zavedla pouze první tři typy (vůně) kvarků: protonový u, neutronový d a podivný s.

 

Shrnutí vlastností kvarků

 

·        Podle současných znalostí se jedná o bezstrukturní (bodové) částice, z nichž jsou složeny hadrony. ·        Jejich elektrický náboj je roven  zlomkovým hodnotám elementárního elektrického náboje e: –1/3 e u kvarků d, s, b; 2/3 e u kvarků u, c, t. ·        Jsou to fermiony se spinovým kvantovým číslem 1/2. ·        Kvarky jsou v hadronech vázány velmi pevně prostřednictvím silné interakce. Odhad vazebné energie je 1012 GeV (kvarky nelze uvolnit). Síla interakce mezi kvarky je však velmi malá při jejich bezprostřední blízkosti (asymptotická volnost) a teprve s jejich rostoucí vzdáleností prudce stoupá. ·        V rámci moderního systému částic představují kvarky spolu s leptony základní částice, z nichž je složena látka.

 

Vazebná energie kvarků je z hlediska dnešních možností urychlovačů prakticky „nekonečně velká“, a proto nejsou pozorovány jako volné částice. V současné době je kvarková teorie běžně fyziky přijímána i bez tohoto přímého experimentálního důkazu, protože výrazně zjednodušuje systém elementárních částic. Navíc není v rozporu s existujícími experimentálními poznatky, naopak existují nepřímé důkazy její správnosti.

 

Struktura hadronů

Mezony jsou tvořeny dvojicí kvark-antikvark. Baryony jsou tvořeny třemi kvarky, které mohou být tří různých barev. Hadrony vzniklé složením kvarků „nemají barvu“ (resp. mají „bílou barvu“).

 

Struktura nukleonů

 

Interakce kvarků

Interakce mezi kvarky se označuje jako silná interakce a patří mezi čtyři základní fyzikální interakce. Silná interakce mezi kvarky je zprostředkována gluony. Popisem silné interakce mezi kvarky se zabývá kvantová chromodynamika (popisuje interakce kvarku s barevným nábojem), která je analogií kvantové elektrodynamiky pro částice interagující elektromagneticky (částice s elektrickým nábojem nebo magnetickým momentem). Silná interakce mezi hadrony (např. jaderné síly mezi nukleony) je pouze zbytkovým projevem silné interakce mezi kvarky (podobně jako disperzní síly mezi molekulami jsou zbytkovým projevem elektromagnetické interakce mezi atomy v molekule, která je podstatou chemické vazby).

Kvarková teorie vycházela ze snah vysvětlit uspořádání hadronů do tzv. unitárních supermultipletů, které jsou určitou obdobou, či spíše rozšířením pojmu izospinových multipletů.

 

Unitární supermultiplet

 

Například pro baryony činí rozdíl hmotností v sousedních izomultipletech supermultipletu asi 10% jejich hmotnosti. Analogicky jako u izomultipletů se předpokládá, že tento rozdíl v hmotnostech je způsoben částí silné interakce, která se označuje jako středně silná interakce a je asi 10 krát slabší než zbývající silná interakce.

Při myšleném „vypnutí“ elektromagnetické i středně silné interakce mají všechny částice supermultipletu stejnou klidovou hmotnost, resp. klidovou energii (degenerace v izospinu i hypernáboji). Proto můžeme všechny částice supermultipletu považovat za různé izospinové a hypernábojové stavy jedné částice. Při zapnutí středně silné interakce dochází k sejmutí degenerace v hypernáboji (srovnej izomultiplet). Zbývající část silné interakce je nábojově nezávislá (na elektrickém náboji i hypernáboji, hypernábojová symetrie).

Supermultiplet je jedním ze základních pojmů unitární teorie. Staví na něm kvarková teorie (supermultiplet částic bylo možno složit z tripletů, které odpovídaly původně třem kvarkům u, d a s).