Кварки — фундаментальные фермионы, обладающие дробным электрическим зарядом, участвующие во всех фундаментальных взаимодействиях, кроме гравитационного на рассматриваемом микроуровне. В настоящее время известно шесть ароматов кварков: u (вверх), d (вниз), s (странный), c (очарованный), b (красивый) и t (топ-кварк). Они объединяются в три поколения:
Каждый аромат кварка существует в трёх цветовых состояниях: красный, зелёный и синий, что отражает принцип цветового заряда в квантовой хромодинамике (КХД). Кварки — фермионы со спином ½, и их античастицы — антикварки — обладают противоположными квантовыми числами и антиверсиями цвета.
В соответствии с КХД, изолированные кварки не могут быть обнаружены в свободном состоянии. Это явление известно как конфайнмент. Все наблюдаемые частицы (адроны) представляют собой цветово-нейтральные комбинации кварков и глюонов. Наиболее устойчивые комбинации — это:
Цветовое взаимодействие, описываемое переносом глюонов, увеличивается на больших расстояниях, препятствуя отделению кварков.
Кварковая модель, предложенная в 1964 году Мюрреем Гелл-Манном и независимо Джорджем Цвейгом, объясняет спектры и свойства адронов через состав из кварков. Первоначально модель включала только u, d и s кварки. В этой схеме:
Появление новых частиц с высокими массами и специфическими квантовыми числами потребовало введения новых ароматов: c, b, t. Это привело к расширению кварковой модели в рамках Стандартной модели.
Очарованный кварк (c) был предсказан как необходимость устранения нарушений симметрий слабых взаимодействий. Открыт в 1974 году в резонансе J/ψ (c{c}).
Красивый кварк (b) объясняет долгоживущие нейтральные мезоны B и нарушение CP-симметрии. Открыт в 1977 году в резонансе Υ (b{b}).
Топ-кварк (t) — самый тяжёлый элементарный фермион (массой ~173 ГэВ/c²). Был открыт в 1995 году на ускорителе Tevatron. Его высокая масса делает его особенным объектом для исследований механизма электрослабой симметрии.
Кварки взаимодействуют между собой посредством глюонов — безмассовых бозонов спина 1, несущих цветовой заряд. В отличие от фотонов в электродинамике, глюоны взаимодействуют друг с другом, поскольку сами обладают цветом. Существует 8 независимых глюонов, что отражает структуру группы SU(3) цветовой симметрии.
Механизм цветовой динамики объясняет:
Слабые взаимодействия позволяют переходы между кварками разных ароматов, что реализуется через CKM-матрицу (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrix). Эта унитарная матрица описывает вероятности переходов, например:
Она включает три угла смешивания и одну CP-нарушающую фазу, объясняя наблюдаемое нарушение CP-симметрии в системе K⁰ и B⁰. Матрица CKM является важной частью Стандартной модели, проверяемой в экспериментах на ускорителях.
Кварковая модель объясняет наблюдаемые характеристики адронов — спин, магнитный момент, распады, массы и симметрии. Для описания состояний применяются:
К примеру, Δ⁺⁺ (uuu) возможен только при симметричной орбитальной и спиновой составляющей, а цветовая функция должна быть полностью антисимметрична.
Кварки s, c и b ответственны за образование гиперонов — барионов с ненулевой странностью, очарованностью и прелестью. Эти частицы играют важную роль в ядерной астрофизике (нейтронные звёзды), космологии и при поиске новой физики за пределами Стандартной модели.
Гипероны обладают большей массой и, как правило, нестабильны, распадаясь посредством слабого взаимодействия. Их изучение позволяет тестировать универсальность слабого тока и структуру хиральных лагранжианов.
Существование и свойства кварков проверяются в различных типах экспериментов:
Кварковая модель остаётся краеугольным камнем Стандартной модели, позволяя систематизировать огромный массив экспериментальных данных. Развитие квантовой хромодинамики, расширений Стандартной модели и экспериментальных методов продолжает уточнять детали кварковой динамики.