Částice a interakce | Kvarky

Na počátku 60. let 20. století bylo zřejmé, že v enormně narůstajícím počtu elementárních částic panují určité příbuzenské vztahy a že existují celé rodiny elementárních částic s podobnými vlastnostmi. Americký fyzik Muray Gell-Mann navrhl v roce 1961 první klasifikaci silně interagujících částic, které uspořádal do příbuzenských osmičlenných multipletů. Na základě této klasifikace předpověděl existenci kvarkůKvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky „d“ (down) a „u“ (up), druhou kvarky „s“ (strange) a „c“ (charm) a třetí kvarky „b“ (bottom nebo beauty) a „t“ (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce., ze kterých jsou tyto částice složeny. Prvním úspěchem nové teorie byla předpověď existence částice Ω^– (omega minus), která byla objevena v roce 1964. V témže roce Gell-Mann dokončuje svou teorii kvarků, ze kterých by měl být složený i neutron a proton. Nezávisle na něm provedl obdobnou klasifikaci hadronů také izraelský fyzik a pozdější politik Yuval Ne'eman (1925–2006) a existenci kvarků nezávisle také předpověděl americko-ruský fyzik George Zweig. Kvarky byly až do roku 1968 považovány za hypotetické částice, jejichž existence je minimálně nejasná. Za definitivní potvrzení lze považovat experimenty z roku 1968, které proběhly ve Stanfordském urychlovačovém centru SLACSLAC – Stanford Linear Accelerator Center, středisko s několika urychlovači, nejznámějším je přes 3 kilometry dlouhý lineární urychlovač patřící Stanfordově univerzitě v Kalifornii, podle něhož je centrum SLAC pojmenováno. Urychlovač je v provozu od roku 1962. V současnosti je středisko přejmenováno na „SLAC National Accelerator Laboratory“ a je jednou z deseti národních laboratoří Spojených států., kde při hlubokém nepružném rozptylu elektronů na protonech byla uvnitř protonu patrná tři bodová centra a ukázalo se, že protonProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10⁻²⁷ kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10⁻¹⁹ C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 10³⁵ let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem. není skutečnou elementární částicí, ale je složený z menších částic. Jistá nedůvěra ke ztotožnění těchto částic s Gell-Mannovými kvarky ale krátkodobě přetrvávala i po tomto objevu. Gell-Mann získal za své práce Nobelovu cenuNobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. za fyziku pro rok 1969.

Umělecká představa kvarků. Kresba: André-Pierre Olivier.

KvarkyKvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky „d“ (down) a „u“ (up), druhou kvarky „s“ (strange) a „c“ (charm) a třetí kvarky „b“ (bottom nebo beauty) a „t“ (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce. jsou částice bez jakékoli známé vnitřní struktury. Kvarky a antikvarky mají náboj buď ±1/3, nebo ±2/3. Jejich spin je ½ (stejně jako u leptonůLeptony – skupina částic, mezi které patří elektron, těžký elektron (mion) a supertěžký elektron (tauon) a jejich neutrina (elektronové, mionové a tauo­nové). Tyto částice nepodléhají silné interakci, ale jen slabé a elektro­mag­ne­tické (pokud jsou nabité).). V některých částicích se nacházejí dva stejné kvarky ve stejném kvantové stavu, což nedovoluje Pauliho vylučovací principPauliho vylučovací princip – „Dva fermiony nemohou být nikdy ve stejném kvantovém stavu“. Právě proto různé elektrony v atomárním obalu zaujímají různé kvantové stavy a tím vytvářejí různorodé chování chemických prvků. . Tyto kvarky se musí nějak od sebe lišit, musí existovat nějaká kvantová vlastnost, která je odlišuje. Tato vlastnost byla nazvána barva – hovoříme o tom, že kvarky mají tzv. barevný náboj. Nejde o  skutečnou barvu, ale jen o kvantové číslo. Barevné náboje je výhodné pojmenovat R (červený), G (zelený) a B (modrý). Kvarky se pak do částic kombinují tak, aby byl výsledný barevný náboj nulový. Jednou z možností je trojice kvarků s barvami R, G a B (červená, modrá a zelená) – tyto barvy dají na monitoru dohromady bílou. Druhou možností je vázaný stav kvarku a antikvarku (například modrého a antimodrého), výsledkem je opět nebarevná kombinace (nulový barevný náboj).

Veškeré částice složené z kvarků nazýváme hadronyHadrony – částice složené z kvarků, které interagují silnou a slabou jadernou interakcí, pokud jsou nabité, také elektromagneticky. Dělíme je na mezony složené z kvarku a antikvarku a baryony složené ze tří kvarků různých barev. Název je odvozeninou z řeckého hadros (silný, těžký). K nejznámějším mezonům patří piony, k nejznámějším baryonům neutron a proton. Hmotnosti hadronů převyšují hmotnost elektronů o několik řádů. Jejich interakce s látkovým prostředím se výrazně liší jak od elektronů, tak i od fotonů.. Pokud jde o dvojici kvark-antikvark, hovoříme o mezonechMezon – částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Název vznikl z toho, že první objevené mezony měly hmotnost „mezi“ hmotností elektronu a protonu. Pokud se kvarky složí s nesouhlasným spinem, vznikne skalární mezon (má nulový spin), pokud se souhlasným spinem vznikne vektorový mezon (spin má roven jedné). Skalární mezony zkombinované z kvarků „d“ a „u“ nazýváme piony, vektorové róony. Pokud mezon obsahuje kvark „s“, nazývá se kaon.. Pokud jde o trojici kvarků tří různých barev, hovoříme o baryonechBaryon – elementární částice složená ze tří kvarků s různým barevným nábojem. Výsledná barva je „bílá“. Baryony podléhají silné interakci a patří proto mezi hadrony. Baryony složené z kvarků první generace (d, u) dělíme na nukleony se spinem rovným 1/2 (proton a neutron) a delta baryony se spinem rovným 3/2 (4 částice s různým nábojem). Baryony obsahující s kvark nazýváme hyperony. Nejznámějším je lambda hyperon. Hyperony byly hojně zastoupené v raných vývojových fázích vesmíru, často hovoříme o hyperonovém plynu. Dnes vznikají interakcí kosmického záření s horními vrstvami atmosféry a umíme je vytvořit uměle na urychlovačích.. Jestliže baryony obsahují s kvark, hovoříme o hyperonechHyperon – částice složená ze tří kvarků (baryon), obsahují podivný kvark s. Částice neobsahuje kvarky c, b, t. Příkladem je Lambda hyperon (Λ⁰ = uds) nebo sigma baryony (například Σ⁺ = uus).. Uvnitř excitovaných hadronů se mohou navíc vyskytovat páry složené z kvarku a antikvarku, hovoříme o tzv. virtuálních párech neboli mořských kvarcíchMořské kvarky – virtuální částice, které vznikají uvnitř hadronu při fluktuaci gluonu barevného pole na pár kvark a antikvark. Následná anihilace dvou mořských kvarků opět vytvoří gluon. Výsledkem je konstantní vnitřní vývoj, který se označuje jako moře virtuálních kvarků.. Základní používané názvy jsou přehledně uspořádány v následující tabulce:

jméno částice	složení částice
hadron	jakákoli částice obsahující kvarky
mezon	částice složená z kvarku a antikvarku (například pion, kaon)
baryon	částice složená ze tří kvarků (například neutron, proton)
hyperon	baryony obsahující podivný kvark nebo antikvark

Kvarky interagují silnou interakcíSilná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10⁻¹⁵ m. Silná interakce je výběrová, působí jen na částice s barevným nábojem, tj. kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického „glue“ = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější jsou proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomárního jádra. Polní částice mají barevný náboj a proto mohou působit samy na sebe. Barevný náboj na malých vzdálenostech (při vysokých energiích) slábne a kvarky se chovají jako volné částice. Hovoříme o tzv. asymptotické volnosti kvarků. Teorií silné interakce se nazývá kvantová chromodynamika (QCD)., ta je pojí do větších celků. Interagují ale i elektromagnetickyElektromagnetická interakce – interakce působící na všechny částice s elektrickým nábojem. Má nekonečný dosah, mezi tělesy ubývá s druhou mocninou vzdálenosti. Polními částicemi jsou fotony, které vytvářejí mezi nabitými tělesy elektromagnetické pole. Nemají elektrický náboj, mají nulovou klidovou hmotnost a spin rovný jedné. Teorie elektromagnetické interakce se nazývá kvantová elektrodynamika (QED)., slaběSlabá interakce – interakce s konečným dosahem, který je přibližně 10^–17 m. Působí pouze na levotočivé kvarky a leptony. Polními částicemi jsou vektorové bosony W⁺, W⁻ a Z⁰ se spinem rovným jedné. Hmotnosti částic jsou v rozmezí (80÷90) GeV. Typickým slabým procesem je například beta rozpad neutronu. Teorie slabé interakce se nazývá kvantová flavourdynamika (QFD). a samozřejmě gravitačněGravitační interakce – interakce působící na všechny částice bez výjimky. Má nekonečný dosah a její intenzita ubývá s kvadrátem vzdálenosti. Současnou teorií gravitace je obecná relativita publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Podle této teorie kolem sebe každé těleso zakřivuje prostor a čas a v tomto pokřiveném světě se tělesa pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Obecná relativita předpověděla řadu jevů, které z Newtonovy teorie gravitace nevyplývají., takže jde o jediné částice podléhající všem čtyřem interakcím. Ukázalo se, že kvarky jsou obdobně jako leptony rozděleny do tří generací, a tvoří tak další šestici částic a antičástic standardního modelu. Podle současných znalostí je tento stav finální, neměla by existovat žádná další „čtvrtá“ generace částic. Pokud by existovala, raný vesmír by se vyvíjel jinak a měl by dnes jiné složení. Jde o jeden z mnoha příkladů těsné vazby mezi kosmologií a teorií elementárních částic. V raném vesmíru byly rovnoměrně zastoupeny všechny tři generace částic. V současném chladném vesmíru je dominantně zastoupena první generace leptonů i kvarků. Druhá generace vzniká jen tam, kde probíhají procesy s velkou energií – v blízkosti černých děrČerná díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v zá­vě­reč­ných fázích vývoje. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky, vznikající v bezprostředním okolí černé díry, velmi intenzivně vyzařují. a neutronových hvězdNeutronová hvězda – těleso tvořené degenerovaným neutronovým plynem o hmotnosti menší než přibližně 2,2 až 3 M_S (Tolmanova-Oppenheimerova-Volkoffova mez). Typický průměr neutronové hvězdy je v řádu desítek kilometrů, průměrná hustota 10¹⁷ kg m⁻³ dosahuje hodnot hustoty atomového jádra. Neutronové hvězdy vznikají při gravitačním kolapsu velmi hmotných červených veleobrů, při výbuchu supernovy typu II. Obrovský tlak způsobuje „vtlačení“ elektronů do protonů za vzniku neutronů a neutrin. Neutronové hvězdy byly teoreticky předpovězeny ve 30. letech 20. století., při interakci kosmického zářeníKosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. s atmosférou atd. Třetí generaci umíme připravit jen uměle na největších urychlovačích světa.

Gell-Mann také proslul obrázky, které k prvním čtyřem kvarkům známým v 60. letech namaloval. Podle těchto postaviček pojmenoval první čtyři kvarky down (d, dolů), up (u, nahoru), strange (s, podivný), charm (c, půvabný). Zbývající dva kvarky se nazývají bottom (b, spodní) a top (t, svrchní). Dříve se krátce používaly názvy beauty (b, krásný) a truth (t, pravdivý). I dnes ale v souvislosti s b kvarkem hovoříme o tzv. krásném sektoru – oblasti fyziky, která se zabývá b kvarkem.

Kvarky dolů (d) a nahoru (u)

V roce 1968 ve Stanfordově urychlovacím centru SLACSLAC – Stanford Linear Accelerator Center, středisko s několika urychlovači, nejznámějším je přes 3 kilometry dlouhý lineární urychlovač patřící Stanfordově univerzitě v Kalifornii, podle něhož je centrum SLAC pojmenováno. Urychlovač je v provozu od roku 1962. V současnosti je středisko přejmenováno na „SLAC National Accelerator Laboratory“ a je jednou z deseti národních laboratoří Spojených států. vyvrcholily zajímavé experimenty. Na Stanfordském lineárním urychlovači nastřelovali elektrony urychlené na energie 7 až 17 GeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. na protony a sledovali elektrony rozptýlené pod úhly 6°až 10°. Z experimentů bylo zřejmé, že uvnitř protonu jsou tři lokalizovaná centra, tedy že jde o částici s vnitřní strukturou, která je složená z menších celků. V roce 1969 byl tento výzkum publikován ve dvou článcích v časopise Physical Review Letters. Články měly celkem 11 autorů ze Stanfordu a z MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO., na prvním místě byl uveden Elliot D. Bloom ze Stanfordovy univerzity.

Kvarky down a up mají spin roven 1/2 a náboj –1/3 a +2/3 elementárního náboje. Jejich hmotnosti jsou přibližně 5 MeV a 3 MeV. Částice, které vytvářejí, mají ale hmotnost vyšší, je dána také gluonovým polem, jež drží kvarky pohromadě. Kvarky down a up patří k tzv. první generaci kvarků. Z první generace je možné vytvořit dva druhy mezonůMezon – částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Název vznikl z toho, že první objevené mezony měly hmotnost „mezi“ hmotností elektronu a protonu. Pokud se kvarky složí s nesouhlasným spinem, vznikne skalární mezon (má nulový spin), pokud se souhlasným spinem vznikne vektorový mezon (spin má roven jedné). Skalární mezony zkombinované z kvarků „d“ a „u“ nazýváme piony, vektorové róony. Pokud mezon obsahuje kvark „s“, nazývá se kaon. (složených z kvarku a antikvarku). První skupina má výsledný spin nulový, tj. kvarky mají opačně orientovaný spin, takže se vyruší. Takové mezony nazýváme pionyPion – mezon π, částice s nulovým spinem složená z kvarků u a d. (π⁺, π^–, π⁰). Druhá skupina je tvořena kvarky se souhlasným spinem, tedy výsledný spin částice je 1. Takové mezony nazýváme ró částice neboli róony (ρ⁺, ρ^–, ρ⁰). BaryonyBaryon – elementární částice složená ze tří kvarků s různým barevným nábojem. Výsledná barva je „bílá“. Baryony podléhají silné interakci a patří proto mezi hadrony. Baryony složené z kvarků první generace (d, u) dělíme na nukleony se spinem rovným 1/2 (proton a neutron) a delta baryony se spinem rovným 3/2 (4 částice s různým nábojem). Baryony obsahující s kvark nazýváme hyperony. Nejznámějším je lambda hyperon. Hyperony byly hojně zastoupené v raných vývojových fázích vesmíru, často hovoříme o hyperonovém plynu. Dnes vznikají interakcí kosmického záření s horními vrstvami atmosféry a umíme je vytvořit uměle na urychlovačích. tvořené třemi různobarevnými kvarky první generace jsou také dvojího druhu. Pokud je výsledný spin roven 1/2 (dva kvarky mají souhlasný směr spinu a jeden opačný směr), hovoříme o nukleonech. V této skupině jsou jen dvě částice – neutronNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10⁻²⁷ kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní se střední dobou života 886 s (15 minut) a poločasem rozpadu 10 minut. V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron. (ddu) a protonProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10⁻²⁷ kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10⁻¹⁹ C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 10³⁵ let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem. (uud). Pokud je výsledný spin roven 3/2 (všechny tři kvarky mají souhlasný směr spinu), hovoříme o delta baryonech: Δ^–, Δ⁰, Δ⁺, Δ⁺⁺.

Podivný (s) a půvabný (c) kvark

Podivný kvark je jediným kvarkem, u kterého nelze přesně říci, kdo ho objevil. První částice s podivným kvarkem, tzv. kaonyKaon – mezon K, částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Jeden kvark/antikvark je z první generace (d či u) a druhý kvark/antikvark je podivný kvark s. Kaony v hojné míře vznikají v horních vrstvách atmosféry při její interakci s kosmickým zářením. byly objeveny v sekundárních sprškách kosmického záření již v roce 1947, ale tehdy nikdo nevěděl nic o kvarcích. Kaony objevili na snímcích z mlžné komory britští fyzikové George Rochester (1908–2001) a Clifford Butler (1922–1999). Na rozdíl od ostatních částic se kaony rozpadaly extrémně pomalu (na pionyPion – mezon π, částice s nulovým spinem složená z kvarků u a d.). Jejich podivné chování při rozpadech vyústilo v zavedení kvantového čísla strangeness (podivnost). Později Gell-Mann předpokládal, že za tuto vlastnost je odpovědný s kvark. Šlo o hypotézu, která byla potvrzena v roce 1968 při objevu vnitřní struktury protonu, takže za objev s kvarku je považován tento experiment, i když v protonu žádné s kvarky nejsou. Dnes víme, že kaony jsou mezonyMezon – částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Název vznikl z toho, že první objevené mezony měly hmotnost „mezi“ hmotností elektronu a protonu. Pokud se kvarky složí s nesouhlasným spinem, vznikne skalární mezon (má nulový spin), pokud se souhlasným spinem vznikne vektorový mezon (spin má roven jedné). Skalární mezony zkombinované z kvarků „d“ a „u“ nazýváme piony, vektorové róony. Pokud mezon obsahuje kvark „s“, nazývá se kaon., které obsahují podivný kvark nebo antikvark vázaný spolu s kvarkem první generace (d nebo u). Kaony sehrály významnou roli při objevu narušení levopravé symetrieP symetrie – symetrie vzhledem k záměně levého a pravého směru. O symetrii hovoříme, pokud by se přístroj vytvořený podle zrcadlového obrazu choval shodně s původním přístrojem. Z této symetrie plyne existence zachovávající se veličiny, kterou nazýváme parita (odsud písmenko P, paritní symetrie). Pokud by symetrie platila, parita by se zachovávala. Narušení levopravé symetrie prokázala čínská fyzička C. S. Wu z Kolumbijské univerzity v roce 1957 v experimentu s rozpadem kobaltu 60. v přírodě (1957) a při objevu narušení CP symetrieCP symetrie – levopravá symetrie kombinovaná se symetrií částice – antičástice. Označení CP pochází z anglických slov „charge“ a „parity“. Základní otázkou je, zda experiment připravený podle zrcadlového obrazu z antičástic by fungoval shodně s původním experimentem. Narušení CP symetrie v přírodě prokázali James Cronin a Val Fitch v roce 1964 v experimentech s rozpadem kaonů. (levopravá symetrie kombinovaná se symetrií částice-antičástice). Takové narušení symetrie bylo ve vesmíru rozhodující pro nadvládu hmoty nad antihmotou. Baryony obsahující s kvark nazýváme hyperonyHyperon – částice složená ze tří kvarků (baryon), obsahují podivný kvark s. Částice neobsahuje kvarky c, b, t. Příkladem je Lambda hyperon (Λ⁰ = uds) nebo sigma baryony (například Σ⁺ = uus). , jmenujme například lambda hyperon (Λ), částice sigma (Σ), ksí (Ξ)  nebo omega (Ω). Částice Ω⁻ je složená ze tří kvarků s. Gell-Mann nejprve její existenci předpověděl v roce 1961 a teprve později (v roce 1964) byla objevena v Brookhavenské národní laboratoři. Její nalezení bylo považováno za velký triumf teorie kvarků.

Půvabný kvark (c kvark) byl nalezen uměle na urychlovačích v listopadu 1974. Nezávisle objevili vázaný stav kvarku a antikvarku c (charmonium) dvě vědecké skupiny. První byla vedena americkým fyzikem Samuelem Tingem z MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO. a novou částici nalezli v Brookhavenské národní laboratořiBNL (Brookhaven National Laboratory) – Brookhavenská národní laboratoř, jedna z deseti národních laboratoří USA založená Americkým ministerstvem energetiky (DOE–U.S. Department of Energy). Její výzkum je orientován na fyziku, biomedicínu, životní prostředí a energetiku. Laboratoř je umístěna na ostrově Long Island v blízkosti New Yorku. K nejvýznamnějším výsledků patří objev narušení CP symetrie, objev těžkého elektronu (mionu), objev K mezonů, objev částice Ω⁻ předpověděné kvarkovým modelem či objev částice J/ψ – vázaného stavu kvarku c a jeho antikvarku. na Long Island. Pro její označení navrhli písmeno J, které připomínalo čínský znak pro Tingovo jméno. Druhou skupinu vedl americký fyzik Burton Richter, jeho tým částici nalezl ve Stanfordském urychlovačovém centru SLAC na urychlovači SPEAR a nazval ji ψ. Celé situaci se dnes říká listopadová revoluce ve fyzice. Potvrdila totiž definitivně správnost konceptu kvarků. Dnes se vázaný stav kvarku a antikvarku c nazývá J/ψ. V roce 1976 byly objeveny mezony obsahující kvark c a nějaký další antikvark, nazýváme je D mezony.

Podivný kvark má spin 1/2, elektrický náboj –1/3 a hmotnost 95 MeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K.. Půvabný kvark má spin 1/2, náboj +2/3 a hmotnost 1.3 GeV. Hmotnosti holých kvarků se jen těžko určují, zpravidla jde pouze o teoretické odhady podložené vlastnostmi částic, ve kterých se tyto kvarky vyskytují.

Spodní (b) a svrchní (t) kvark

Existence spodního neboli bottom kvarku byla předpovězena v roce 1973 japonskými fyziky Makoto Kobajašim a Tošihide Maskawou. Existenci kvarku b potřebovali k vysvětlení narušení CP symetrieCP symetrie – levopravá symetrie kombinovaná se symetrií částice – antičástice. Označení CP pochází z anglických slov „charge“ a „parity“. Základní otázkou je, zda experiment připravený podle zrcadlového obrazu z antičástic by fungoval shodně s původním experimentem. Narušení CP symetrie v přírodě prokázali James Cronin a Val Fitch v roce 1964 v experimentech s rozpadem kaonů.. Za objev původu narušení CP symetrie a za předpověď existence třetí generace kvarků obdrželi Nobelovu cenuNobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. za fyziku pro rok 2008. Vázaný stav kvarku a antikvarku b byl objeven v roce 1977 ve Fermilabu na experimentu E288 skupinou vedenou americkým fyzikem Leonem Ledermanem, který byl již dříve spoluobjevitelem mionového neutrina. Vázaný stav kvarku a antikvarku b byl nazván bottomium a příslušná částice nese jméno upsilon podle řeckého písmene ϒ (je podobné našemu velkému ypsilon), které tuto částici označuje. Kvark b se také někdy nazývá krásný (beauty). Částice obsahující antikvark B a některý další kvark se nazývají B mezony (obrácená kombinace je antičásticí). Vlastnosti B mezonů se zkoumají v detektorech na největších urychlovačích světa. K nejznámějším patří BaBarBABAR – B and B-bar experiment. Experiment na urychlovači PEP-II ve Stanfordu, kterému se přezdívá B-factory – továrna na částice obsahující kvarky a antikvarky b. (středisko SLACSLAC – Stanford Linear Accelerator Center, středisko s několika urychlovači, nejznámějším je přes 3 kilometry dlouhý lineární urychlovač patřící Stanfordově univerzitě v Kalifornii, podle něhož je centrum SLAC pojmenováno. Urychlovač je v provozu od roku 1962. V současnosti je středisko přejmenováno na „SLAC National Accelerator Laboratory“ a je jednou z deseti národních laboratoří Spojených států., USA), BelleBelle – jeden z experimentů v japonské laboratoři KEK. Jde o sledování narušení CP invariance na kolideru KEK B factory. (středisko KEKKEK – japonská Národní laboratoř pro fyziku vysokých energií. Založena byla v roce 1971, umístěna je v Tsukubě v Japonsku. Největším urychlovačem je KEKB (KEK B factory, továrna na B mezony obsahující b nebo anti-b kvarky). Jde o nesymetrický elektron-pozitronový kolider složený ze dvou prstenců (3,5 GeV a 8 GeV). Maximální tok částic je 10³⁴ cm⁻²s⁻¹. Obvod obou prstenců je 3 016 m., Japonsko) a LHCbLHCb – Large Hadron Collider beauty, multifunkční detektor pro LHC, na kterém je sledováno narušení CP symetrie a jsou zkoumány hadrony obsahující kvark b. (středisko CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web., Evropa).

Posledním nalezeným a dlouho hledaným kvarkem byl svrchní neboli top kvark. Někdy se mu také říká pravdivý (truth). Má enormní hmotnost, která je srovnatelná s hmotností jádra atomu wolframu. Jeho existenci předpověděli (stejně tak jako existenci b kvarku) Makoto Kobajaši a Tošihide Maskawa. Nalezen byl v experimentech CDFCDF – Collider Detector at Fermilab, jeden ze dvou velkých detektorů na urychlovači Tevatron. CDF měl tvar krychle o hraně 12 m a vážil 6 000 tun. Více než 500 fyziků pracovalo na detektoru, kde byly objeveny kvarky „b“ (bottom) a „t“ (top). Dobíhajícím projektem je intenzívní hledání Higgsova bosonu v již nasbíraných datech. Brzy ho ale v množství nasbíraných dat předběhnou experimenty na urychlovači LHC. a D0D-Zero – D0, DØ, DZERO, jeden ze dvou velkých detektorů na urychlovači Tevatron. D0 pracoval již od roku 1992 a zaměstnával přibližně 550 vědců z osmnácti zemí světa. Detektor měl rozměry 9×9×15 m a vážil kolem 5 000 tun. Mezi největší objevy patří objev „b“ (bottom) kvarku, „t“ (top) kvarku a exotických baryonů Ξ_b a částice Ω_b. V posledních letech se na Tevatronu zkoumalo narušení CP symetrie. Pomocí dat z D0 byl výrazně omezen rozsah možných hmotností Higgsovy částice. postavených u amerického urychlovače TevatronTevatron – synchrotron postavený ve Fermilabu v Batávii, ve státě Illinois. Do zprovoznění LHC v CERN šlo o největší urychlovač tohoto typu na světě, protony a antiprotony byl schopen v  prstenci o obvodu 6,3 km urychlit až na energii 1 TeV. Šlo o kolider, jehož vstřícné svazky měly v těžišťové soustavě energii 1,96 TeV. Tevatron byl dostaven v roce 1983 a stál 120 milionů USD. Další velkou investicí byl hlavní injektor za 290 milionů USD přidaný v letech 1994 až 1999. Provoz Tevatronu byl ukončen v roce 2011. v roce 1995.

Spodní kvark má spinSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. 1/2, elektrický náboj –1/3 a hmotnost 4,2 GeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. (čtyřnásobek hmotnosti protonu). Svrchní kvark má stejný spin, náboj +2/3 a hmotnost 173 GeV (cca jádro wolframu). Oba kvarky patří ke třetí generaci částic. Umíme je vytvořit uměle, v přírodě nebyly nalezeny. K jejich vytvoření je zapotřebí extrémní energie. Ta byla ovšem dostupná při vzniku vesmíru, kdy byly všechny tři generace kvarků rovnoměrně zastoupeny.

Tabulka vlastností kvarků

S – silná, W – slabá , E – elektromagnetická, G – gravitační