Down-kvarkit (symboli d, joskus kirjoitetaan d‑kirjaimella) ovat hyvin pieniä hiukkasia, jotka yhdessä muiden kvarkkien kanssa muodostavat hadroneja, kuten protoneja ja neutroneja. Down‑kvarkin sähköinen varaus on -1/3 yksikköä (eli -1/3e). Koska down‑kvarkit ovat fermioneja, niiden spin on 1/2, mikä tarkoittaa, että ne noudattavat Paulin kieltosääntöä.

Keskeiset ominaisuudet

  • Sähkövaraus: -1/3 e (varaus).
  • Spin: 1/2 (fermioni, fermioneja).
  • Baryoniluku: +1/3 (kvarkit kantavat baryonilukua 1/3, antikvarkit −1/3).
  • Väri: kantavat vahvan voiman värichargea (kolme väriä: punainen, vihreä, sininen), mikä mahdollistaa kvarkkien sitoutumisen glukooneilla.
  • Massa: nykyisen teorian (MSbar, arviolta noin 2 GeV:n asteikolla) down‑kvarkin "current‑massa" on vain muutama MeV/c2 (tyypillinen arvio noin 4–5 MeV/c2). Hadroneissa kvarkin osuus nukleonien massasta on kuitenkin suurempi efektin (konstituenttimassan) takia — konstituenttiväriarvoja käytetään usein ~300 MeV/c2‑luokassa kuvaamaan tehokasta massaa.

Rooli nukleoneissa ja muissa hiukkasissa

Down‑kvarkit esiintyvät ydinfysiikassa erityisen yleisesti. Esimerkiksi:

  • Protoni koostuu kolmesta kvarkista: kaksi up‑kvarkkia ja yksi down‑kvarkki (uud). Näin protonin kokonaisvaraus tulee +2/3 + 2/3 − 1/3 = +1e.
  • Neutroni koostuu yhdestä up‑ ja kahdesta down‑kvarkista (udd), jolloin varaus on +2/3 − 1/3 − 1/3 = 0.
  • Mesoneissa down‑kvarkit esiintyvät usein antikvarkin kanssa: esimerkiksi π− (pionin negatiivinen muoto) on tyypillisesti d + anti‑u.

Vuorovaikutukset ja hajoamiset

Down‑kvarkit osallistuvat kaikkiin perustavanlaatuisiin vuorovaikutuksiin, joissa kvarkit yleisesti osallistuvat: vahvaan (QCD), sähkömagneettiseen ja heikkoaan vuorovaikutukseen. Erityisesti heikko voima voi muuttaa kvarkin makua (flavor): esimerkiksi neutronin beeta‑hajoamisessa yksi down‑kvarkki muuttuu up‑kvarkiksi lähettämällä W−‑bosonin, mikä johtaa reaktioon neutroni → protoni + elektroni + antineutriino (d → u + W− → u + e− + ν̄e).

Konfinaatio ja antihiukkanen

Kvarkkeja ei ole koskaan havaittu erikseen vapaana hiukkasena johtuen vahvan vuorovaikutuksen konfinaatiosta — kvarkit ovat aina sidottuina hadroneihin. Korkeaenergiaisissa törmäyksissä kvarkkien erottaminen näkyy kuitenkin jakojatkumina (jets). Down‑kvarkin antihiukkanen on antidown (tai d̄), jolla on vastakkaissähkövaraus +1/3e ja baryoniluku −1/3.

Merkitys ja historia

Down‑kvarkki on yksi kvarkkimallin kevyimmistä ja tärkeimmistä osasista, koska se yhdessä up‑kvarkin kanssa rakentaa maanlaajuisesti runsaimmat atomiydinten perushiukkaset. Kvarkkimalli, jossa up ja down ovat peruselementtejä, esiteltiin 1960‑luvulla selittämään hadronien järjestystä ja ominaisuuksia. Down‑kvarkin ja up‑kvarkin eroilu selittää monia ydinreaktioita ja beeta‑hajoamisen kaltaisia prosesseja, jotka ovat keskeisiä esimerkiksi tähdissä ja hiukkasfysiikan kokeissa.

Yhteenvetona: down‑kvarkki (d) on sähkövaraukseltaan −1/3e ja spiniltään 1/2 oleva fermioni, joka yhdessä up‑kvarkin kanssa muodostaa protonit, neutronit ja monia muita hadroneja. Sen antihiukkanen on antidown, ja kvarkit pysyvät sidottuina hadroneihin konfinaation vuoksi.