Kvarker

Grundbeskrivelse 

Kvarker er de bestanddele, som udgør protoner og neutroner. Kvarker er særlige blandt elementarpartiklerne derved, at de aldrig findes 'alene' i naturen. Kvarker er altid bundet i såkaldte hadroner som for eksempel protoner og neutroner. Hvis man prøver at rive en kvark ud af den hadron, den sidder i, vil resultatet ikke være en fri kvark, men flere nye hadroner. Der findes mange flere hadroner i naturen and bare de to typer, som vi kender fra atomkernerne. Der er baryonerne, som består af tre kvarker, og mesonerne der består af en kvark og en antikvark.

Der findes seks typer kvarker som angivet i skemaet: 

Som det kan ses, er kvarkerne kendetegnet ved at bære mindre end en hel elementarladning. To 'up'-kvarker og en 'down'-kvark giver tilsammen en proton med én hel elementarladning. Tilsvarende ophæver ladningerne i to 'down og en 'up'-kvark hinanden, og vi får en neutron uden ladning.

Uddybende Beskrivelse 

Protoner og neutroner er ikke elementarpartikler. De er sammensatte partikler, og vi kalder deres bestanddele for kvarker. To egenskaber gør kvarkerne til noget særligt blandt elementarpartiklerne

• De bærer en ladning, der ikke er i hele elementarladninger.
• De kan ikke observeres frit i naturen.

De tre kvarker i en proton holdes sammen af den stærke kernekraft. (Harp, Wikimedia Commons).

Partikler opbygget af kvarker kaldes hadroner. Hadroner er enten baryoner eller mesoner.

Protoner og neutroner er eksempler på baryoner, hvor tre kvarker tilsammen udgør en partikel. En proton består for eksempel af to 'up' og en 'down'-kvark, som tilsammen giver netop en ladning på én elementarladning. En neutron består af to 'down' og en 'up'-kvark, som tilsammen giver en ladning på nul.

Mesoner består derimod af en kvark og en antikvark. Den mest normale type mesoner er de såkaldte π-mesoner. En 'up' og en anti-'down'-kvark kan for eksempel kombineres til en π⁺-meson. π-mesonerne er de letteste hadroner, og de opstår derfor ofte, når kosmiske stråler rammer atmosfæren.

Kvarker i hadroner holdes sammen af den stærke kernekraft. Den stærke kernekraft er kendetegnet ved, at den vokser, når partikler, der adlyder den, kommer langt væk fra hinanden. Konsekvensen er, at man ikke kan observere en fri kvark. Prøver man at rive en kvark ud af en hadron, vil man godt nok få ødelagt hadronen, men man vil ikke stå tilbage med en fri kvark. Den energi, man har brugt til at hive i kvarken, vil have dannet nye kvarker, således at man i stedet står med flere nye hadroner.

Alt stof, vi ser til dagligt i verden omkring os, er opbygget af 'up'- og 'down'-kvarker i kombination med de elektroner, der kredser om atomkernerne. Imidlertid findes der jo flere typer kvarker og derfor mange forskellige hadroner. Disse hadroner er for manges vedkommende opdaget, før kvarkmodellen blev alment anerkendt, og de har derfor lagt navn til kvarkerne. For eksempel havde K-mesonerne (opdaget i 1947) nogle mærkværdige (eng.: strange) henfald, hvilket gav navn til 'strange'-kvarken.

Blandt kvarkerne indtager 'top'-kvarken en særstilling. Dens eksistens blev forudsagt i 1973 som en nødvendig konsekvens af den matematiske struktur af den stærke kernekraft. Der skulle gå indtil 1995, før den blev opdaget. Grunden var dens ekstremt høje masse. Topkvarken vejer næsten det samme som et guldatom, hvorfor den henfalder, inden den kan danne hadroner. Der findes altså ingen hadroner bestående af topkvarker.

Rasmus Mackeprang