Pohjakvarkki (b‑kvarkki, kauneuskvarkki) — määritelmä ja ominaisuudet

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 Λ_b). 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. V_cb, V_ub) 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.