کوارک بالا

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو
فارسیEnglish
کوارک بالا
Up quark
ذرهذره بنیادی
آمارفرمیونی
نیروهای بنیادیقوی، ضعیف، الکترومغناطیس، گرانش
نمادu
پادذرهپادکوارک بالا (u)
نظریه‌پردازیموری گل-مان (۱۹۶۴)
جرج زویگ (۱۹۶۴)
کشفاسلاک (۱۹۶۸)
جرم۲٫۳+۰٫۷
−۰٫۵
 MeV/c۲
[۱]
واپاشی بهکوارک پایدار یا پایین + پوزیترون + الکترون نوترینو
بار الکتریکی۲۳e+
بار رنگبله
اسپین۱۲
ایزواسپین ضعیفLH: +۱۲, RH: ۰
ابربار ضعیفLH: +۱۳, RH: +۴۳

کوارک بالا (به انگلیسی: Up quark) (نماد : u)، سبک‌ترین نوع کوارک، نوعی ذره بنیادی و یکی از اجزای اصلی تشکیل‌دهنده ماده است. این کوارک به همراه کوارک پایین، نوترون (یک کوارک بالا، دو کوارک پایین) و پروتون (دو کوارک بالا، یک کوارک پایین) هسته اتم را می‌سازند. این کوارک جرو نسل اول ماده است، بار الکتریکی آن ۲۳e+ و جرمی برابر ۲٫۳+۰٫۷
−۰٫۵
 MeV/c۲
دارد. مانند سایر کوارک‌ها، کوارک بالا یک فرمیون بنیادی اسپین-۱⁄۲ است و با هر ۴ نیروی بنیادی برهم‌کنش دارد. پادذره آن پادکوارک بالا نامیده می‌شود (گاهی به آن کوارک پادبالا یا فقط پادبالا هم گفته می‌شود) که تنها تفاوتش با کوارک بالا در این است مه برخی از ویژگیهای آن مقدار برابر با علامت مخالف با کوارک بالا دارد.

نظریه‌پردازی مبنی بر وجود کوارک بالا (به همراه کوارک‌های پایین و شگفت ) در سال ۱۹۶۴ توسط موری گل-مان و جرج زویگ برای توضیح روش طبقه‌بندی راه هشت‌گانه هادرون‌ها پیشنهاد شد. این کوارک نخستین بار به صورت تجربی در سال ۱۹۶۸ در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده اسلاک کشف شد.

تاریخچه[ویرایش]

در اوایل دوران پیدایش فیزیک ذرات (در نیمه اول قرن بیستم)، چنین پنداشته می‌شد که هادرون‌هایی مانند پروتون، نوترون و پیون ذرات بنیادی هستند. اما با کشف هادرون‌های جدید، باغ‌وحش ذرات از چند ذره در اوایل دهه ۱۹۳۰ و ۱۹۴۰، در دهه ۱۹۵۰ به چند دوجین ذره گسترش یافت. رابطه میان هریک از این ذرات تا سال ۱۹۶۱ نامشخص بود تا اینکه در این سال موری گل-مان [۲] و یووال نیمان [۳] (هر یک به طور جداگانه) روش راه هشت‌گانه یا به عبارت فنی‌تر تقارن مزه (3)SU را برای طبقه‌بندی ذرات پیشنهاد دادند.

این طرح طبقه‌بندی هادرون‌ها را به چندقلوهای ایزواسپینی تقسیم می‌نمود اما پایه فیزیکی پشت این طبقه‌بندی، مشخص نبود. در سال ۱۹۶۴، گل-مان [۴] و جرج زویگ [۵][۶] (مستقل از یکدیگر)، مدل کوارک را پیشنهاد دادند که در آن زمان تنها از کوارک بالا، پایین و شگفت تشکیل می‌شد. [۷] اما با اینکه مدل کوارک راه هشت‌گانه را توضیح می‌داد، هیچ‌گونه شواهد تجربی مبنی بر وجود آن در دست نبود تا اینکه در سال ۱۹۶۸ در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده اسلاک، این اتفاق افتاد. [۸][۹] آزمایش‌های پراکندگی ناکشسان ژرف نشان داد که پروتون زیرساختاری دارد و از سه ذره بنیادی دیگر تشکیل شده‌است و مدل کوارک را تایید نمود. [۱۰] ابتدا افراد در پذیرش این سه ذره به عنوان کوارک بی‌میل بودند و توصیف پارتون ریچارد فاینمن را ترجیح می‌دادند، [۱۱][۱۲][۱۳] اما با گذشت زمان نظریه کوارک مورد پذیرش قرار گرفت. [۱۴]

جرم[ویرایش]

جرم کوارک بالا، با قطعیت مشخص نیست اما احتمالا بین ۱.۸ و ۳٫۰ MeV/c۲ است. [۱] محاسبات کرومودینامیک کوانتومی شبکه‌ای می‌توانند به مقدار دقیقتری برسد: ۲٫۰۱±۰٫۱۴ MeV/c۲.[۱۵] در درون مزون‌ها (ذرات ساخته‌شده از یک کوارک و یک پادکوارک) یا باریون‌ها، جرم مؤثر (یا جرم ملبس) آن به دلیل انرژی پیوندی ناشی از گلوئون‌های میان کوارک‌ها افزایش می‌یابد. جرم خالص کوارک بالا بسیار اندک است و نمی‌توان آن را به صورت سرراست محاسبه نمود زیرا باید اثرات نسبیتی را هم در نظر گرفت.

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  1. ۱٫۰ ۱٫۱ J. Beringer et al. (Particle Data Group) (2012). "PDGLive Particle Summary 'Quarks (u, d, s, c, b, t, b', t', Free)'" (PDF). Particle Data Group. Archived from the original (PDF) on 12 May 2013. Retrieved 2013-02-21.
  2. M. Gell-Mann (2000) [1964]. "The Eightfold Way: A theory of strong interaction symmetry". In M. Gell-Mann, Y. Ne'eman. The Eightfold Way. Westview Press. p. 11. ISBN 0-7382-0299-1.
    Original: M. Gell-Mann (1961). "The Eightfold Way: A theory of strong interaction symmetry". Synchrotron Laboratory Report CTSL-20. California Institute of Technology
  3. Y. Ne'eman (2000) [1964]. "Derivation of strong interactions from gauge invariance". In M. Gell-Mann, Y. Ne'eman. The Eightfold Way. Westview Press. ISBN 0-7382-0299-1.
    Original Y. Ne'eman (1961). "Derivation of strong interactions from gauge invariance". Nuclear Physics. 26 (2): 222. Bibcode:1961NucPh..26..222N. doi:10.1016/0029-5582(61)90134-1.
  4. M. Gell-Mann (1964). "A Schematic Model of Baryons and Mesons". Physics Letters. 8 (3): 214–215. Bibcode:1964PhL.....8..214G. doi:10.1016/S0031-9163(64)92001-3.
  5. G. Zweig (1964). "An SU(3) Model for Strong Interaction Symmetry and its Breaking". CERN Report No.8181/Th 8419.
  6. G. Zweig (1964). "An SU(3) Model for Strong Interaction Symmetry and its Breaking: II". CERN Report No.8419/Th 8412.
  7. B. Carithers, P. Grannis (1995). "Discovery of the Top Quark" (PDF). Beam Line. SLAC. 25 (3): 4–16. Retrieved 2008-09-23.
  8. E. D. Bloom; Coward, D.; Destaebler, H.; Drees, J.; Miller, G.; Mo, L.; Taylor, R.; Breidenbach, M.; et al. (1969). "High-Energy Inelastic ep Scattering at 6° and 10°". Physical Review Letters. 23 (16): 930–934. Bibcode:1969PhRvL..23..930B. doi:10.1103/PhysRevLett.23.930.
  9. M. Breidenbach; Friedman, J.; Kendall, H.; Bloom, E.; Coward, D.; Destaebler, H.; Drees, J.; Mo, L.; Taylor, R.; et al. (1969). "Observed Behavior of Highly Inelastic Electron–Proton Scattering". Physical Review Letters. 23 (16): 935–939. Bibcode:1969PhRvL..23..935B. doi:10.1103/PhysRevLett.23.935.
  10. J. I. Friedman. "The Road to the Nobel Prize". Hue University. Archived from the original on 25 December 2008. Retrieved 2008-09-29.
  11. R. P. Feynman (1969). "Very High-Energy Collisions of Hadrons". Physical Review Letters. 23 (24): 1415–1417. Bibcode:1969PhRvL..23.1415F. doi:10.1103/PhysRevLett.23.1415.
  12. S. Kretzer; Lai, H.; Olness, Fredrick; Tung, W.; et al. (2004). "CTEQ6 Parton Distributions with Heavy Quark Mass Effects". Physical Review D. 69 (11): 114005. arXiv:hep-ph/0307022. Bibcode:2004PhRvD..69k4005K. doi:10.1103/PhysRevD.69.114005.
  13. D. J. Griffiths (1987). Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. p. 42. ISBN 0-471-60386-4.
  14. M. E. Peskin, D. V. Schroeder (1995). An introduction to quantum field theory. ادیسون-وزلی. p. 556. ISBN 0-201-50397-2.
  15. Cho, Adrian (April 2010). "Mass of the Common Quark Finally Nailed Down". Science Magazine. Archived from the original on 6 March 2012. Retrieved 30 September 2015.
Up quarks
CompositionElementary particle
StatisticsFermionic
GenerationFirst
InteractionsStrong, Weak, Electromagnetic force, Gravity
Symbol
u
AntiparticleUp antiquark (
u
)
TheorizedMurray Gell-Mann (1964)
George Zweig (1964)
DiscoveredSLAC (1968)
Mass2.2+0.5
−0.4
 MeV/c2
[1]
Decays intoStable or Down quark + Positron + Electron neutrino
Electric charge+2/3 e
Color chargeYes
Spin1/2
Weak isospinLH: +1/2, RH: 0
Weak hyperchargeLH: +1/3, RH: +4/3

The up quark or u quark (symbol: u) is the lightest of all quarks, a type of elementary particle, and a major constituent of matter. It, along with the down quark, forms the neutrons (one up quark, two down quarks) and protons (two up quarks, one down quark) of atomic nuclei. It is part of the first generation of matter, has an electric charge of +2/3 e and a bare mass of 2.2+0.5
−0.4
 MeV/c2
.[1]. Like all quarks, the up quark is an elementary fermion with spin 1/2, and experiences all four fundamental interactions: gravitation, electromagnetism, weak interactions, and strong interactions. The antiparticle of the up quark is the up antiquark (sometimes called antiup quark or simply antiup), which differs from it only in that some of its properties, such as charge have equal magnitude but opposite sign.

Its existence (along with that of the down and strange quarks) was postulated in 1964 by Murray Gell-Mann and George Zweig to explain the Eightfold Way classification scheme of hadrons. The up quark was first observed by experiments at the Stanford Linear Accelerator Center in 1968.

History

In the beginnings of particle physics (first half of the 20th century), hadrons such as protons, neutrons and pions were thought to be elementary particles. However, as new hadrons were discovered, the 'particle zoo' grew from a few particles in the early 1930s and 1940s to several dozens of them in the 1950s. The relationships between each of them were unclear until 1961, when Murray Gell-Mann[2] and Yuval Ne'eman[3] (independently of each other) proposed a hadron classification scheme called the Eightfold Way, or in more technical terms, SU(3) flavor symmetry.

This classification scheme organized the hadrons into isospin multiplets, but the physical basis behind it was still unclear. In 1964, Gell-Mann[4] and George Zweig[5][6] (independently of each other) proposed the quark model, then consisting only of up, down, and strange quarks.[7] However, while the quark model explained the Eightfold Way, no direct evidence of the existence of quarks was found until 1968 at the Stanford Linear Accelerator Center.[8][9] Deep inelastic scattering experiments indicated that protons had substructure, and that protons made of three more-fundamental particles explained the data (thus confirming the quark model).[10]

At first people were reluctant to describe the three bodies as quarks, instead preferring Richard Feynman's parton description,[11][12][13] but over time the quark theory became accepted (see November Revolution).[14]

Mass

Despite being extremely common, the bare mass of the up quark is not well determined, but probably lies between 1.8 and 3.0 MeV/c2.[15] Lattice QCD calculations give a more precise value: 2.01±0.14 MeV/c2.[16]

When found in mesons (particles made of one quark and one antiquark) or baryons (particles made of three quarks), the 'effective mass' (or 'dressed' mass) of quarks becomes greater because of the binding energy caused by the gluon field between each quark (see mass–energy equivalence). The bare mass of up quarks is so light, it cannot be straightforwardly calculated because relativistic effects have to be taken into account. Due to strong force mediated by gluons in the gluon field, the quarks move at roughly 99.995% of the speed of light, leading to Lorentz factor of roughly 100. As a result, the combined rest mass of quarks is barely 1% of proton or neutron mass.

See also

References

  1. ^ a b M. Tanabashi et al. (Particle Data Group) (2018). "Review of Particle Physics". Physical Review D. 98 (3): 030001. doi:10.1103/PhysRevD.98.030001.
  2. ^ M. Gell-Mann (2000) [1964]. "The Eightfold Way: A theory of strong interaction symmetry". In M. Gell-Mann, Y. Ne'eman (ed.). The Eightfold Way. Westview Press. p. 11. ISBN 978-0-7382-0299-0.
    Original: M. Gell-Mann (1961). "The Eightfold Way: A theory of strong interaction symmetry". Synchrotron Laboratory Report CTSL-20. California Institute of Technology.
  3. ^ Y. Ne'eman (2000) [1964]. "Derivation of strong interactions from gauge invariance". In M. Gell-Mann, Y. Ne'eman (ed.). The Eightfold Way. Westview Press. ISBN 978-0-7382-0299-0.
    Original Y. Ne'eman (1961). "Derivation of strong interactions from gauge invariance". Nuclear Physics. 26 (2): 222–229. Bibcode:1961NucPh..26..222N. doi:10.1016/0029-5582(61)90134-1.
  4. ^ M. Gell-Mann (1964). "A Schematic Model of Baryons and Mesons". Physics Letters. 8 (3): 214–215. Bibcode:1964PhL.....8..214G. doi:10.1016/S0031-9163(64)92001-3.
  5. ^ G. Zweig (1964). "An SU(3) Model for Strong Interaction Symmetry and its Breaking". CERN Report No.8181/Th 8419.
  6. ^ G. Zweig (1964). "An SU(3) Model for Strong Interaction Symmetry and its Breaking: II". CERN Report No.8419/Th 8412.
  7. ^ B. Carithers, P. Grannis (1995). "Discovery of the Top Quark" (PDF). Beam Line. 25 (3): 4–16. Retrieved 2008-09-23.
  8. ^ Bloom, E. D.; Coward, D.; Destaebler, H.; Drees, J.; Miller, G.; Mo, L.; Taylor, R.; Breidenbach, M.; et al. (1969). "High-Energy Inelastic ep Scattering at 6° and 10°". Physical Review Letters. 23 (16): 930–934. Bibcode:1969PhRvL..23..930B. doi:10.1103/PhysRevLett.23.930.
  9. ^ M. Breidenbach; Friedman, J.; Kendall, H.; Bloom, E.; Coward, D.; Destaebler, H.; Drees, J.; Mo, L.; Taylor, R.; et al. (1969). "Observed Behavior of Highly Inelastic Electron–Proton Scattering". Physical Review Letters. 23 (16): 935–939. Bibcode:1969PhRvL..23..935B. doi:10.1103/PhysRevLett.23.935.
  10. ^ J. I. Friedman. "The Road to the Nobel Prize". Hue University. Archived from the original on 2008-12-25. Retrieved 2008-09-29.
  11. ^ R. P. Feynman (1969). "Very High-Energy Collisions of Hadrons" (PDF). Physical Review Letters. 23 (24): 1415–1417. Bibcode:1969PhRvL..23.1415F. doi:10.1103/PhysRevLett.23.1415.
  12. ^ S. Kretzer; Lai, H.; Olness, Fredrick; Tung, W.; et al. (2004). "CTEQ6 Parton Distributions with Heavy Quark Mass Effects". Physical Review D. 69 (11): 114005. arXiv:hep-ph/0307022. Bibcode:2004PhRvD..69k4005K. doi:10.1103/PhysRevD.69.114005.
  13. ^ D. J. Griffiths (1987). Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. p. 42. ISBN 978-0-471-60386-3.
  14. ^ M. E. Peskin, D. V. Schroeder (1995). An introduction to quantum field theory. Addison–Wesley. p. 556. ISBN 978-0-201-50397-5.
  15. ^ J. Beringer (Particle Data Group); et al. (2012). "PDGLive Particle Summary 'Quarks (u, d, s, c, b, t, b', t', Free)'" (PDF). Particle Data Group. Retrieved 2013-02-21.
  16. ^ Cho, Adrian (April 2010). "Mass of the Common Quark Finally Nailed Down". Science Magazine.

Further reading