Kvark

Kvarky nesú elektrický náboj, ktorý je zlomkom elementárneho elektrického náboja. Konkrétne kvarky u, kvarky c (pôvabné kvarky) a kvarky t (nazývané aj kvarky typu up) majú všetky náboj +²⁄₃. Naproti tomu kvarky d, kvarky s (podivné kvarky) a kvarky b (kvarky typu down) majú náboj −¹⁄₃. Antikvarky nesú náboj opačného znamienka. To znamená teda, že antikvarky ku kvarkom typu up majú náboj −²⁄₃ a antikvarky ku kvarkom typu down majú náboj +¹⁄₃. Výsledný elektrický náboj častíc zložených z kvarkov je sumou nábojov jednotlivých kvarkov. Preto baryóny pozostávajúce z troch kvarkov alebo troch antikvarkov nesú vždy celočíselný náboj. To isté platí aj pre mezóny. Tie pozostávajú z jedného kvarku a jedného antikvarku, čo v sume dá tiež celočíselný náboj týchto zložených častíc [6].

Napríklad neutrón má náboj nula, pretože pozostáva z dvoch kvarkov d a jedného kvarku u. Takisto prirodzene na základe kvarkového modelu môžeme vysvetliť náboj protónu. Pretože ten pozostáva z dvoch kvarkov u a jedného kvarku d musí niesť náboj 1, čo je v súlade so známymi experimentálnymi údajmi[7].

Farebný náboj kvarku predstavuje analógiu k teórii miešania svetla z optiky

Kvarky podliehajú silnej interakcii, pričom nesú takzvaný farebný náboj. Ten nadobúda hodnoty červená, zelená alebo modrá. Antikvarky nesú opačný farebný náboj a to antičervená, antizelená alebo antimodrá. Farebný náboj napriek svojmu názvu nemá žiaden priamy súvis so svetlom[8]. Názov farba bol zvolený v súvislosti s teóriou miešania farieb z optiky. Napríklad častica pozostávajúca z troch kvarkov s farbami červená, zelená a modrá má výslednú farbu bielu a nenesie žiaden farebný náboj. Podobne častica zložená z kvarku s farebným nábojom červená a antikvarku s farebným nábojom antičervená opäť nenesie žiaden farebný náboj.

Podľa teórie silných interakcii (QCD) môžeme pozorovať iba také častice, ktorých farebný náboj je nula. Táto skutočnosť vylučuje pozorovanie voľných kvarkov. Kvarky sú uväznené v zložených časticiach (efekt známy ako Color confinement).

Silná interakcia vysvetľuje priťahovanie sa resp. odpudzovanie sa kvarkov pomocou častíc nazývaných gluóny. Kvark nabitý jednou z farieb môže byť viazaný s antikvarkom nesúcim zodpovedajúcu antifarbu, tri kvarky nesúce rozdielne farby budú viazané tiež podobným spôsobom. V každom inom prípade bude systém nestabilný[9].

V rámci Termodynamiky silných interakcii je predpovedaný stav nazývaný kvark-gluónová plazma, v ktorom sa nachádzajúce kvarky správajú ako kvázi voľné častice. Tento fázový prechod je očakávaný pri teplote zodpovedajúcej 200 MeV a pri trojnásobnej hustote, ako majú jadrá atómov. Kvark-gluónová plazma ešte pozorovaná nebola, ale experimenty v CERNe a Brookhavene poukázali na jej možnú existenciu.

Poznáme šesť kvarkov: u, d, c (pôvabný), s (podivný), t (horný) a b (spodný). Slabá interakcia dovoľuje však ich premeny z jedného druhu na iný.

Príkladom takejto premeny je beta rozpad neutrónu na protón, pri ktorej sa jeden kvark d neutrónu premení na jeden kvark u, pričom dochádza k emitovaniu virtuálneho bozónu W a jeho následnej premene na elektrón a elektrónové antineutríno[10].

V roku 1972 Makoto Kobajaši a Tošihide Maskawa formulovali takzvanú Cabibbovu–Kobajašiho–Maskawovu maticu (maticu CKM), ktorá opisuje relatívne pravdepodobnosti rozpadov kvarkov.

V súčasnosti sa jednotlivé údaje matice CKM uvádzajú približne ako[11]:

${\displaystyle {\begin{bmatrix}|V_{\mathrm {ud} }|&|V_{\mathrm {us} }|&|V_{\mathrm {ub} }|\\|V_{\mathrm {cd} }|&|V_{\mathrm {cs} }|&|V_{\mathrm {cb} }|\\|V_{\mathrm {td} }|&|V_{\mathrm {ts} }|&|V_{\mathrm {tb} }|\end{bmatrix}}\approx {\begin{bmatrix}0.974&0.226&0.004\\0.226&0.973&0.041\\0.009&0.041&0.999\end{bmatrix}}.}$

Kde ${\displaystyle V_{ij}\,\!}$ reprezentuje pravdepodobnosť, že kvark označený symbolom i sa rozpadne na kvark označený symbolom j.