Lähdekoodi sivulle Kvarkki

{{Tämä artikkeli|käsittelee alkeishiukkasia. Kvarkki tarkoittaa myös [[maitorahka]]a.}}
{{Hiukkanen
| bgcolour =
| nimi = Kvarkki
| kuva = 
| rakenne = [[alkeishiukkanen]]
| perhe = [[fermioni]]
| ryhmä = 
| sukupolvi =
| vuorovaikutus = [[gravitaatio]], <br /> [[heikko vuorovaikutus]], <br /> [[vahva vuorovaikutus]], <br /> [[sähkömagneettinen vuorovaikutus]]
| hiukkanen =
| antihiukkanne = 
| status =
| löydetty teoreettisesti = [[1964]], [[Murray Gell-Mann]] ja [[George Zweig]]
| löydetty = 
| symboli = 
| massa = 
| elinikä =
| hajoaa hiukkaseksi =
| sähkövaraus = u, c, t: +2/3 e <br/> d, s, b: –1/3 e
| värivaraus = punainen, sininen tai vihreä
| spin = 1/2
| spintilojen lukumäärä =
}}

[[Kuva:Neutron quark structure.svg|thumb|Neutronin kvarkkirakenne: kaksi alaskvarkkia ({{k-en|down quark, d-quark}}) ja yksi ylöskvarkki ({{k-en|up quark, u-quark}})<ref name="yle">{{Verkkoviite
|Osoite = https://areena.yle.fi/1-50981435
|Nimike = Jakso 3: Heikon voiman ansiosta ydin voi hajota toiseksi (Heikko vuorovaikutus)
|Viitattu = 11.12.2021
}}</ref>]]

[[Hiukkasfysiikka|Hiukkasfysiikassa]] '''kvarkit''' ovat [[alkeishiukkanen|alkeishiukkasia]], joita ei täten voida jakaa enää pienempiin hiukkasiin. Kvarkit muodostavat [[hadroni|hadroneja]], joista yleisesti tunnetuimmat ovat [[nukleoni]]t eli [[protoni]] ja [[neutroni]]. Kvarkkien olemassaolo [[Postulaatti|postuloitiin]] ensimmäisen kerran vuonna 1964, kun [[Murray Gell-Mann]] ja [[George Zweig]] ehdottivat, että hadronit ovat pienempien alkeishiukkasten yhdistelmiä. He kutsuivat näitä hiukkasia kvarkeiksi.<ref>{{Kirjaviite | Tekijä = Griffths, David| Nimeke = Introduction To Elementary Particles| Kappale = | Sivu = 37| Selite = | Julkaisija = Wiley| Vuosi = 1987| Tunniste = | Isbn = 0-471-60386-4 | Viitattu = | Kieli = {{en}}}}</ref>

Vaikka kvarkit keksittiin alun perin teoreettisista syistä selittämään löydettyjen hadronien ominaisuuksia, joiden mukaan ne voitiin jakaa ryhmiin, niin kaikki kvarkit on sittemmin havaittu [[hiukkaskiihdytin|hiukkaskiihdyttimissä]]. [[Huippukvarkki]] ({{k-en|top quark}}) löydettiin viimeisenä 23. huhtikuuta 1994.

Kvarkit vuorovaikuttavat [[vahva vuorovaikutus|vahvan vuorovaikutuksen]] kautta. Tätä luonnehtiva varaus on [[värivaraus]]. Ydinvoimat, joilla protonit ja neutronit ovat sitoutuneet toisiinsa [[atomiydin|atomiytimissä]], ovat kvarkkeja toisiinsa sitovan värivoiman jäännösvoimia. Matemaattisesti erikoista on, että kvarkkien [[sähkövaraus]] ei ole [[alkeisvaraus|alkeisvarauksen]] monikerta, vaan alkeisvarauksen murto-osa. Jokaista kvarkkityypiä kohden on olemassa vastaava [[antimateria|antikvarkki]], jolla on vastakkainen kvanttiluku kuin sitä vastaavalla kvarkilla.

==Nimet==
Nimitys ”kvarkki” on peräisin [[James Joyce]]n kryptisestä teoksesta ''[[Finnegans Wake]]'':

{{Sitaatti|''Three quarks for Muster Mark! ''<br/>''Sure he has not got much of a bark''<br/>''And sure any he has it's all beside the mark.''}}

Tästä [[Murray Gell-Mann]] poimi termin nimeksi keksimilleen, tuolloin vielä hypoteettisille alkeishiukkasille.

Yksittäisten kvarkkityyppien nimet ovat mielivaltaisesti keksittyjä; kvarkkityyppien ominaisuudet eivät millään tavoin vastaa nimitysten käyttöä arkielämässä: ''ylös'' (up), ''alas'' (down), ''outo'' (strange), ''lumo'' (charm), ''pohja'' (bottom) ja ''huippu'' (top). Kahta viimeistä kvarkkia kutsutaan myös nimillä ''kauneus'' (beauty) ja ''totuus'' (truth). Tarinan mukaan kolme ensimmäisenä löydettyä kvarkkia tunnettiin fyysikoiden keskuudessa alun perin nimillä ''suklaa'', ''mansikka'' ja ''vanilja''.<ref>http://cc.oulu.fi/~ljalonen/Kurssit/Fysiikka%20ja%20kemia/Fysiikka%20ja%20kemia%20-%20luku%209.pdf{{Vanhentunut linkki|bot=InternetArchiveBot }}</ref> Kvarkkilajeista onkin käytetty myös nimitystä maku.<ref>{{Kirjaviite | Tekijä = Montonen, Claus | Nimeke = Alkeishiukkasten maailma kvarkeista aikojen alkuun, 2. painos| Vuosi = 1981| Luku = Teoreettinen hiukkasfysiikka| Sivu = 145| Selite = | Julkaisupaikka = Helsinki| Julkaisija = Suomen Fyysikkoseura, Tähtitieteellienen yhdistys Ursa| Tunniste = | Isbn = 951-9269-13-4| www = | www-teksti = | Tiedostomuoto = | Viitattu = 14.11.2013 | Kieli = }}</ref>

Kvarkeista muodostuvia hiukkasia kutsutaan [[hadroni|hadroneiksi]], jotka puolestaan voidaan jakaa [[Baryoni|baryoneihin]] ja [[Mesoni|mesoneihin]] siten, että baryonien [[spin]] on puoliluku, mesonien kokonaisluku. Vuonna 2006 erilaisia hadroneja tunnettiin jo satoja, joista useimmat eivät tosin ole vakaita.<ref name="LMFJ">{{Kirjaviite | Tekijä = Maalampi, Jukka; Perko, Tapani| Nimeke = Lyhyt modernin fysiikan johdatus, 4. korjattu painos| Kappale = | Sivu = 184&ndash;187| Selite = |Julkaisupaikka = Helsinki| Julkaisija = Limes ry | Vuosi = 2006| Tunniste = | Isbn = 951-745-213-6 | Viitattu = | Kieli = {{fi}}}}</ref>

== Historiaa ==
Jo 1960-luvun alussa fyysikot olivat kyenneet tuottamaan useita eksoottisia, hyvin lyhytikäisiä hiukkasia. Vuonna 1963 Murray Gell-Mann ja [[Yuval Ne'eman]] havaitsivat, että näitä hiukkasia oli mahdollista ryhmitellä säännönmukaisesti kolmen [[kvanttiluku|kvanttiluvun]], [[spin]]in, [[isospin]]in ja [[outous|outouden]] perusteella. Tulokseksi saadaan kahdeksan hiukkasen oktetteja sekä kymmenen hiukkasen dekupletteja. Vuonna 1964 Gell-Mann ja [[George Zweig]] keksivät toisistaan riippumatta, että ryhmittely voitaisiin selittää, jos kukin hiukkanen rakentuisi kahdesta tai kolmesta pienemmästä hiukkasesta ja/tai sellaisen antihiukkasesta.<ref name="LMFJ"/> Tarve saada baryoneille todennetuksi sisärakenne kumpusi myös toisesta suunnasta, sillä [[neutroni]]lla oli havaittu olevan [[magneettinen momentti]]. Neutroni on sähköisesti neutraali, joten magneettisen momentin selittämiseksi neutronin täytyisi muodostua jonkinlaisista varauksellisista hiukkasista, joiden varaukset kuitenkin kumoavat toisensa kokonaisuutena.<ref name="YAF7">[http://tfy.tkk.fi/aes/AES/courses/crspages/Tfy-0.3243/luku7.pdf Hakola, Antti: Ydin- ja alkeishiukkasfysiikka, Raportti TKK-F-B204, ISBN 978-951-22-9178-6, luku 7] {{Wayback|1=http://tfy.tkk.fi/aes/AES/courses/crspages/Tfy-0.3243/luku7.pdf |päiväys=20131113183459 }}</ref>

Kvarkkimalli ei perustu pelkkään päättelyyn, vaan matemaattisesti sen pohjana on [[symmetriaryhmä]]n [[SU(3)]] käyttö. Teoriassaan Gell-Mann kykeni sen avulla muodostamaan [[aaltofunktio]]t kaikille tuolloin tunnetuille hadroneille.<ref name="YAF7"/>

Alkuperäisessä, vuoden 1964 kvarkkimallissa oli kolme kvarkkia: ylös- eli [[u-kvarkki]], alas- eli [[d-kvarkki]] sekä outo- eli [[s-kvarkki]] sekä näiden antikvarkit. Ylös- ja alas-kvarkkien nimet johdettiin isospinistä, sillä jos u-kvarkki vastaa isospinin ylös-komponenttia ja d-kvarkki alas-komponenttia ja jos protonin kvarkkikoostumus on ''uud'' ja neutronin ''udd'', näiden hiukkasten isospinit saadaan selitettyä. Kolmas kvarkki eli outo-kvarkki tarvittiin selittämään [[kaoni]]en ja eräiden baryonien omituisen hidas hajoaminen. Näitä hiukkasia syntyy helposti protonien törmäyksissä [[vahva vuorovaikutus|vahvan voiman]] aiheuttamina, mutta niiden hajoaminen kestää jopa 10<sup>13</sup> kertaa kauemmin kuin pitäisi. Selitykseksi hitaalle hajoamiselle kehitettiin ylimääräinen kvanttiluku, jota alettiin kutsua outoudeksi. Hiukkasen outous [[säilymislaki|säilyy]] vahvan vuorovaikutuksen reaktioissa, muttei [[heikko vuorovaikutus|heikon vuorovaikutuksen]] reaktioissa. Tämän mukaisesti, jos hiukkasen rakenteeseen kuuluu outo-kvarkkeja eli niiden outous poikkeaa nollasta, kevyimpien outojen hiukkasten on ikään kuin jäätävä odottamaan hajoamista hitaammin vaikuttavan heikon vuorovaikutuksen kautta, koska hajoaminen kevyemmiksi hiukkasiksi ei vahvan vuorovaikutuksen kautta ole mahdollista.<ref name="LMFJ"/> Osoittautui, että näillä kolmella kvarkilla pystyttiin paitsi selittämään kaikkien tuolloin tunnettujen hadronien ominaisuudet, myös ennustamaan vielä löytymättömiä hiukkasia. Merkittävä läpimurto oli kvarkkimallista ennustetun [[Omega (baryoni)|Ω<sup>-</sup>]]-baryonin löytyminen.<ref name="YAF7"/>

Ongelmana kvarkkimallissa oli, että spin-1/2-hiukkasina kvarkit ovat [[fermioni|fermioneja]], jolloin niitä koskee [[Paulin kieltosääntö]]. Kieltosäännön mukaan samassa tilassa ei voi olla kahta fermionia, joiden kvanttiluvut ovat samat. Eräät hiukkaset näyttivät kuitenkin rikkovan tätä sääntöä, kuten [[Delta (baryoni)|Δ<sup>++</sup>]], jonka kvarkkirakenne on ''uuu''. Ongelman selitti [[Oscar Greenberg]] ottamalla käyttöön [[värivaraus|väriksi]] kutsutun kvanttiluvun, jolla voi olla kolme eri tilaa. Jos kullakin Δ<sup>++</sup>-hiukkasen u-kvarkilla on eri väri, yksi niiden kvanttiluvuista on erilainen, Paulin kieltosääntö jää rikkoutumatta ja hiukkasen olemassaolo saa selityksen.<ref name="YAF7"/>

Neljännen kvarkin olemassaoloa alettiin pohtia, kun [[James Björken]] ja [[Sheldon Glashow]] huomasivat kvarkkimallin siistiytyvän, jos kvarkit muodostaisivat kahden kvarkin pareja tuolloin tunnettujen neljän [[leptoni]]n tapaan. Tätä s-kvarkin oletettua paria alettiin kutsua lumo- eli [[C-kvarkki|c-kvarkiksi]]. C-kvarkin löytäminen kokeellisesti palkittiin [[Nobelin fysiikanpalkinto|Nobelin fysiikanpalkinnon]] vuonna 1976<ref>{{Verkkoviite | Osoite = http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1976/index.html | Nimeke = The Nobel Prize in Physics 1976| Tekijä = | Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisu = nobelprize.org| Ajankohta = | Julkaisupaikka = | Julkaisija = The Nobel Foundation| Viitattu = 14.11.2013 | Kieli = {{en}}}}</ref>. Sen avulla kyettiin selittämään c-kvarkin sisältävien hiukkasten hajoamisprosessit hieman samaan tapaan kuin s-kvarkin avulla. Kun vielä [[Tau (alkeishiukkanen)|tau-leptonin]] löytymisen jälkeen havaittiin, että [[Leptoni|leptonit]] muodostavatkin kolme hiukkasparia, oli luontevaa, että kvarkitkin muodostaisivat kolme paria. Vuonna 1973 [[Makoto Kobayashi]] ja [[Toshihide Maskawa]] ennustivat kolmannen kvarkkiparin, [[B-kvarkki|b-]] ja [[t-kvarkki]]en olemassaolon. Nämä kaksi varsin suurimassaista kvarkkia löydettiin kokeellisesti vasta vuosina 1977 ja 1995.<ref name="YAF7"/> Kobayashi ja Maskawa saivat ennusteesta Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 2008.<ref>{{Verkkoviite | Osoite = http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2008/index.html | Nimeke = The Nobel Prize in Physics 2008| Tekijä = | Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisu = nobelprize.org| Ajankohta = | Julkaisupaikka = | Julkaisija = The Nobel Foundation| Viitattu = 14.11.2013 | Kieli = {{en}}}}</ref>

==Kvanttiluvut==

[[Kvanttiluku|Kvanttiluvut]] ovat ominaisuuksia, jotka yksilöivät kunkin hiukkasen. Hadroneita luonnehtivista kvanttiluvuista ensimmäisinä tunnettiin [[spin]], [[isospin]] ja [[outous]], joiden perusteella hadronit keksittiin jakaa kahdeksan hiukkasen oktetteihin tai kymmenen hiukkasen dekupletteihin, mikä puolestaan johti kvarkkimallin syntyyn. Baryonin muodostaa kolme kvarkkia ja antibaryonin kolme antikvarkkia. Mesonit ja antimesonit puolestaan koostuvat yhdestä kvarkista ja yhdestä antikvarkista. 

Myöhemmin, kun kvarkkeja löytyi lisää, saatiin vielä kolme uutta kvanttilukua: [[lumo (kvanttiluku)|lumo]], [[kauneus (kvanttiluku)|kauneus]] ja [[totuus (kvanttiluku)|totuus]]. Tämän lisäksi kvarkeilla on oma spininsä, joka on aina 1/2 sekä [[baryoniluku]], joka on aina 1/3. Kvarkin ja antikvarkin kvanttiluvut ovat toistensa vastalukuja{{Lähde|10.1.2021}}.

Kaikilla kvarkeilla on vielä ylimääräinen kvanttiluku, jota kutsutaan [[värivaraus|väriksi]]. Kukin kvarkki voi esiintyä jossakin kolmesta mahdollisesta väristä ja antikvarkeilla on toiset kolme mahdollista arvoa, ''antivärit''. Näillä kvarkkien "väreillä" ei kuitenkaan ole mitään tekemistä arkielämässä [[väri|väreiksi]] kutsuttavien optisten ilmiöiden kanssa. Baryoneissa on kaikki eri kvarkkivärit, jolloin ne kumoavat toisensa, mesonissa taas väri ja antiväri. Tämän vuoksi vapaina esiintyvät hadronit ovat aina "värittömiä". Yksittäisen kvarkin väriä ei voida määrittää, sillä väri vaihtuu koko ajan{{Lähde|10.1.2021}}.

Hiukkasen sähkövarausta, isospiniä ja sen muodostavien kvarkkien kvanttilukuja sitoo yhteen tärkeä [[Gell-Mannin&ndash;Nishijiman kaava]]:

:<math>Q = I_3 + \frac{B+ S + B' + C +T}{2}</math>,

missä ''Q'' on sähkövaraus, ''I<sub>3</sub>'' isospinin z-komponentti, ''B'' baryoniluku, ''S'' outous, ''B''' kauneus, ''C'' lumo ja ''T'' totuus. Kaavalla on suuri merkitys vahvan vuorovaikutuksen välittämissä reaktioissa, sillä kaikki sen suureet ovat tällöin säilyviä.<ref name="LMFJ"/>

{| class="wikitable" 
! Nimi
! Varaus
! Arvioitu massa ([[elektronivoltti|MeV]])
! Isospin
! [[Outous]]
! Lumo
! Kauneus
! Totuus
|- 
| [[u-kvarkki|Ylös (u)]] 
|  align="right" |  +2/3 
|  align="right" |  1,5...4,5'''<sup>1</sup>'''
| +1/2 || 0 || 0 || 0 || 0
|- 
| [[d-kvarkki|Alas (d)]]
|  align="right" |  –1/3 
|  align="right" |  5...8,5 '''<sup>1</sup>'''
| –1/2 || 0 || 0 || 0 || 0
|- 
| [[c-kvarkki|Lumo (c)]]
|  align="right" |  +2/3 
|  align="right" |  1&nbsp;000...1&nbsp;400 
| 0 || 0 || 1 || 0 || 0
|- 
| [[s-kvarkki|Outo (s)]]
|  align="right" |  –1/3 
|  align="right" |  80...155 
| 0 || –1 || 0 || 0 || 0
|- 
| [[t-kvarkki|Huippu (t)]]
|  align="right" |  +2/3 
|  align="right" |  178&nbsp;000 ± 4&nbsp;300
| 0 || 0 || 0 || 0 || 1
|- 
| [[b-kvarkki|Pohja (b)]]
|  align="right" |  –1/3 
|  align="right" |  4&nbsp;000...4&nbsp;500 
| 0 || 0 || 0 || –1 || 0
|}
<small>'''1.''' Massojen arviot ovat kiistanalaisia. On ehdotettu että u-kvarkki olisi lähes massaton.</small><ref>{{Verkkoviite | Osoite = http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Particles/quark.html | Nimeke = Quark| Tekijä = | Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisu = HyperPhysics| Ajankohta = | Julkaisupaikka = | Julkaisija = Georgia State University| Viitattu = 14.11.2013 | Kieli = {{en}}}}</ref>

== Gluonit ja kvarkkien vankeus ==
Kvarkit ovat [[sirontakoe|sirontakokeiden]] perusteella lähes pistemäisiä. Hadronin sisällä niillä on [[vahva vuorovaikutus]], joka välittyy [[gluoni]]en avulla. Vahva vuorovaikutus on sikäli erikoinen, että se kasvaa etäisyyden suhteessa. Lähellä toisiaan kvarkit voivat liikkua lähes vapaasti, kaukana toisistaan ne ovat hyvin vaikeasti työnnettävissä poispäin toisistaan. Vapaita kvarkkeja ei ole havaittu.<ref>{{Kirjaviite | Tekijä = Ruuskanen, Vesa | Nimeke = Alkeishiukkasten maailma kvarkeista äärettömyyteen| Vuosi = 1980| Luku = Hiukkasen historiaa| Sivu = 40–51| Selite = | Julkaisupaikka = Helsinki| Julkaisija = Suomen Fyysikkoseura ja Tähtitieteellinen yhdistys Ursa| Tunniste = | Isbn = 951-9269-13-4| www = | www-teksti = | Tiedostomuoto = | Viitattu = 14.11.2013 | Kieli = }}</ref>    

Yli 170 [[elektronivoltti|MeV]]:n lämpötilassa, joka vallitsi [[kvarkkiepookki]]na maailmankaikkeuden alkuhetkillä, kvarkit ja gluonit kuitenkin muodostivat [[kvarkki-gluoniplasma]]a, jossa kvarkit olivat vapaita. Samoin oletetaan olevan [[kvarkkitähti|kvarkkitähdissä]].<ref>{{Verkkoviite| Osoite = http://www.bnl.gov/npp/docs/Hunting%20the%20QGP.pdf| Nimeke = Hunting the Quark Gluon Plasma| Tekijä = | Tiedostomuoto = pdf| Selite = | Julkaisu = | Ajankohta = 18.8.2005| Julkaisupaikka = | Julkaisija = Brookhaven National Laboratory, New York| Viitattu = 14.11.2013| Kieli = {{en}}| arkisto = https://web.archive.org/web/20130120172148/http://www.bnl.gov/npp/docs/Hunting%20the%20QGP.pdf| arkistoitu = 20.1.2013}}</ref>

Kvarkkien ei uskota koskaan esiintyvän yksittäin, vaan aina kahden tai kolmen ryhmissä. Tätä ilmiötä kutsutaan kvarkkien vankeudeksi. Uskomukselle on vahva kokeellinen näyttö, sillä yhdessäkään vuoden 1977 jälkeen suoritetussa kokeessa ei ole havaittu yksittäistä kvarkkia. Sen sijaan tiedetään, että jos vaikkapa mesonista yritetään vetää sen sisältämät kvarkki ja antikvarkki erilleen, tehdään hiukkasten väliseen värivoimakenttään lopulta niin paljon työtä, että kentästä voi materialisoitua uusi kvarkki-antikvarkkipari. Näin kahden erillisen kvarkin sijaan saadaan aikaan energiasta materialisoitunut uusi mesoni.<ref name="LMFJ"/>

Kvarkkien vankeuden yksityiskohdat ovat osittain tuntemattomia. Sen aihepiiri on aktiivisen tutkimuksen kohde.<ref name="LMFJ"/>

== Lähteet ==
{{Viitteet}}

== Kirjallisuutta ==

* {{kirjaviite | Tekijä=Gell-Mann, Murray | Nimeke=Kvarkki ja jaguaari: Seikkailuja yksinkertaisessa ja monimutkaisessa | Selite=(Alkuteos: The quark and the jaguar, 1994.)| Suomentaja= Ritva ja Tapio Tuomi | Julkaisupaikka=Helsinki | Julkaisija= WSOY | Vuosi=1996 | Tunniste = | Isbn = 951-0-20464-1}}

* {{kirjaviite|Tekijä=Hawking, Stephen W.|Vuosi=2000|Nimeke=[[Ajan lyhyt historia]]|Selite=(Alkuteos: The Illustrated A Brief History of Time, 1996.) Tarkistettu ja täydennetty, kuvitettu laitos| Suomentaja= Risto Varteva |Julkaisupaikka=Helsinki | Julkaisija= WSOY| Tunniste = | Isbn = 951-0-19440-9}}

== Aiheesta muualla ==
{{commonscat-rivi}}

{{Hiukkaset}}

[[Luokka:Kvarkit|*]]
[[Luokka:Kuvitelmaperäiset sanat]]
[[Luokka:Seulonnan keskeiset artikkelit]]