Pohjakvarkki

Pohjakvarkki (engl. beauty tai bottom; b-quark) eli kauniskvarkki on alkeishiukkanen ja yksi kuudesta kvarkkityypistä. Vastaava antihiukkanen on pohja-antikvarkki. Pohjakvarkin massa on kaikista kvarkeista toiseksi suurin, ja se on raskain kvarkki, joka muodostaa hadronin. Se ei kuulunut alkuperäisen kvarkkimallin ennustamiin hiukkasiin, vaan sen ominaisuudet esitettiin teoreettisesti 1973 selittämään CP-symmetrian rikkoutumista. Ensimmäinen pohjakvarkki löydettiin 1977.

pohjakvarkki
Symboli	b
Rakenne	Alkeishiukkanen
Perhe	Fermioni
Ryhmä	Kvarkit
Sukupolvi	Kolmas
Vuorovaikutus	Painovoima Sähkömagneettinen Vahva vuorovaikutus Heikko vuorovaikutus
Antihiukkanen	pohja-antikvarkki
Löydetty teoreettisesti	Makoto Kobayashi ja Toshihide Maskawa (1970)
Löydetty	Fermilab (1977)
Sähkövaraus	−⅓ e
Värivaraus	on
Spin	½
Infobox OK

Ominaisuudet

Pohjakvarkin spin on 1/2 ja baryoniluku 1/3, kuten kaikilla muillakin kvarkeilla. Lisäksi pohjakvarkilla isospin I₃ on 0 ja sähkövaraus –1/3e. Siihen liittyy oma kauneudeksi kutsuttu kvanttiluku, jonka arvoksi kvarkille on määritelty –1. Kauneus määritellään kaavalla B = –[(pohjakvarkkien lukumäärä) – (pohja-antikvarkkien lukumäärä)]. Pohjakvarkki kuuluu samaan kvarkkiduplettiin huippukvarkin kanssa. Pohjakvarkin massa on noin 4 000–4 500 MeV, mikä tekee siitä yli neljä kertaa protonia raskaamman ja selvästi raskaamman kuin neljä kevyempää kvarkkia.

Suuren massansa vuoksi pohjakvarkin elinikä on vain 1,3 · 10^-12 sekuntia. Se on raskain kvarkki, joka pystyy muodostamaan hadronin. Pohjakvarkin suuren massan vuoksi pohjakvarkista ja sen antikvarkista muodostuvat bottomium-mesonitilat ovat yhdessä lumokvarkin vastaavien tilojen kanssa tärkeitä kvarkkien välisen voiman tutkimuskohteita, sillä suhteellisuusteoreettisia vaikutuksia ei tarvitse niiden kohdalla huomioida. Lisäksi heikossa vuorovaikutuksessa tapahtuva kvarkkitilojen sekoittuminen eli kvarkkien muuttuminen toisikseen on pohjakvarkin tapauksessa olemattoman vähäistä. Pohja-kvarkin hajotessa syntyy outokvarkki sekä virtuaalisen W^--bosonin kautta muodostuu elektroni ja elektronin antineutriino.

Tutkimus

Pohjakvarkki ei kuulu alkuperäisen kvarkkimallin ennustamiin hiukkasiin, ja sen ominaisuudet johdettiin teoreettisesti 1973, lähes kymmenen vuotta alkuperäisen mallin jälkeen, selittämään CP-symmetrian rikkoutumista tietyissä hiukkasreaktioissa. Ensimmäinen todistettavasti pohja-kvarkin sisältävä hiukkanen, bottomium-mesoni ypsilon, löydettiin 1977. Nykyisin pohjakvarkin sisältäviä hiukkasia tunnetaan useita. Ne ovat kaikki varsin lyhytikäisiä ja useimmat mesoneita. Näistä vuonna 2011 havaittu χ_b(3P) -niminen mesonitila oli ensimmäinen LHC-kiihdyttimellä löydetty hiukkanen. Hiukkasia, jotka sisältävät pohjakvarkin etsitään yleisesti pohja-taggingiksi kutsutulla menetelmällä, joka perustuu hiukkaskiihdyttimessä aiheutetussa törmäyksessä syntyvien tietynlaisten hadronisuihkujen etsimiseen.

Koska kvarkkidupletteja tunnettiin aikaisemmin vain kaksi (ylös- ja alaskvarkkien dupletti sekä lumo- ja outokvarkkien dupletti), hiukkasen teorian kehittäneet Makoto Kobayashi ja Toshihide Maskawa saivat Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 2008 kolmannen kvarkkidupletin olemassaolon ennustamisesta.

Lähteet

• Schumm, Brian A.: Syvällä asioiden sydämessä: Hiukkasfysiikan kauneus. Suomentanut Kimmo Pietiläinen. Terra Cognita, 2004. ISBN 952-5202-91-7

Aiheesta muualla

• John Yoh (1997) "The Discovery of the b Quark at Fermilab in 1977: The Experiment Coordinator's Story". Proceedings of Twenty Beautiful Years of Bottom Physics. Fermilab (englanniksi)
• Particle Data Group: Summary of Quarks (englanniksi)

Hiukkaset fysiikassa