Pohjakvarkki (b‑kvarkki, kauneuskvarkki) — määritelmä ja ominaisuudet
Pohjakvarkki (b‑kvarkki): määritelmä, varaus, hajoamisominaisuudet ja rooli B-mesoneissa — kattava ja selkeä opas pohjakvarkkien ominaisuuksiin.
Pohjakvarkit eli kauneuskvarkit (engl. bottom tai beauty, symboli b) ovat kolmannen sukupolven kvarkkeja ja toiseksi massiivisimpia alkeishiukkasia (hiukkasia, jotka ovat niin pieniä, ettei niitä voi enää jakaa). Kaikki kvarkit ovat alkeishiukkasia. Pohjakvarkin sähkövaraus on -1/3 e, kuten myös down-kvarkkien. Kvarkki kantaa myös väriä (strong‑varaus) ja osallistuu vahvaan, sähkömagneettiseen ja heikkoon vuorovaikutukseen.
Massan ja ominaisuuksien suuruusluokkia
Pohjakvarkin massa on huomattavasti suurempi kuin kevyemmillä kvarkeilla. Sen massa riippuu määrittelytavasta; tyypillisiä arvoja ovat noin 4,18 GeV/c2 (MS-bar‑massana) ja noin 4,7–4,8 GeV/c2 (pole‑massa). Koska kvarkkeja ei havaita vapaana, nämä arvot perustuvat teoreettisiin määrityksiin ja hadronien kalibrointeihin.
Hadronit ja esiintyminen
Pohjakvarkit esiintyvät sitoutuneina hiukkasina, esimerkiksi B‑mesoneissa ja pohja‑baryoneissa (kuten Λb). Sitoutuneen kvarkin ja antikvarkin muodostamia tiloja kutsutaan bottomoniumiksi (esim. Υ‑resonanssit), ja juuri tällainen resonance löydettiin vuonna 1977 Fermilabin kokeissa, mikä johti pohjakvarkin tunnistamiseen. Pohjakvarkin esiintyminen ja ominaisuudet näkyvät siten käytännössä mittauksissa, joissa syntyy ja havaitaan B‑hadronien hajoamisia ja resonansseja.
Hajoaminen ja elinikä
Pohjakvarkit hajoavat pääosin heikon vuorovaikutuksen välityksellä, usein charmikvarkkeiksi tai up-kvarkkeiksi, riippuen hajoamiskanavasta ja CKM‑sekvensseistä. Tyypillinen B‑hadronin elinikä on suunnan luokkaa 10−12 s (joissain tapauksissa noin 1–1,5×10−12 s), mikä heijastaa pohjakvarkin heikon hajoamisajan mittaluokkaa. Hajoamisissa syntyy usein myös leptoneita ja neutriinoita tai muita kvarkkeja, ja eri hajoamiskanavia tutkitaan monipuolisesti eksperimentaalisesti.
Merkitys hiukkasfysiikassa
Pohjakvarkit ovat tärkeitä Standardimallin testauksessa ja uuden fysiikan etsimisessä. B‑hadronien hajoamisista mitataan muun muassa CKM‑matriisin alkioita (esim. Vcb, Vub) ja CP‑vioitusta, joiden avulla tutkitaan materian ja antimaterian eroja sekä rajoitetaan mahdollisia uusia vuorovaikutuksia. Aktiivisia kokeita ja havaintolaitteita, jotka mittaavat pohjakvarkkien ilmiöitä, ovat muun muassa LHCb CERN:ssä sekä aiemmat kokeet kuten Belle ja BaBar.
Historia ja nimitys
Pohjakvarkki löydettiin käytännössä, kun havaittiin bottomonium‑resonansseja (Υ‑systeemit) 1970‑luvun lopulla. Englanninkielinen nimi "bottom" tai "beauty" näkyy suomenkielisissä nimissä pohjakvarkki ja kauneuskvarkki. Kvarkin symboli on b, ja sen ominaisuuksia kuvataan laajasti sekä teoreettisesti että kokeellisesti kvanttiväridynamiikan (QCD) ja heikon vuorovaikutuksen puitteissa.
Yhteenvetona: pohjakvarkit ovat kolmannen sukupolven, suuremman massan omaavia alkeishiukkasia, joiden sähkövaraus on -1/3 e. Ne esiintyvät hadroneissa kuten B‑mesoneissa, hajoavat heikon vuorovaikutuksen kautta yleensä charm‑ tai up‑kvarkkeihin ja ovat keskeisiä kohteita raskaaseen flavour‑fysiikkaan ja Standardimallin testaamiseen.
Kysymyksiä ja vastauksia
Q: Mitä ovat pohjakvarkit?
V: Pohjakvarkit, jotka tunnetaan myös nimellä kauneuskvarkit, ovat alkeishiukkasia ja toiseksi raskaimpia alkeishiukkasia.
K: Mikä on pohjakvarkkien varaus?
V: Pohjakvarkkien varaus on -1/3, mikä on samanlainen kuin down-kvarkkien.
K: Missä hiukkasissa pohjakvarkkeja yleensä esiintyy?
V: Pohjakvarkkeja esiintyy hiukkasissa, kuten B-mesoneissa.
K: Ovatko pohjakvarkit yleisiä?
V: Ei, pohjakvarkit eivät ole kovin yleisiä.
K: Mikä on pohjakvarkkien hajoamisaika?
V: Kaikki pohjakvarkit hajoavat heikon voiman vaikutuksesta charmikvarkkeiksi tai up-kvarkkeiksi noin 10-12 sekunnissa.
K: Millaisia hiukkasia kaikki kvarkit ovat?
V: Kaikki kvarkit ovat alkeishiukkasia.
K: Mikä on kaikista alkeishiukkasista raskain?
V: Sitä ei mainita kyseisessä tekstissä.
Etsiä