Kwark dolny (d) — definicja i właściwości: ładunek, spin, rola

Podstawowe właściwości

• Ładunek elektryczny: -1/3 e.
• Spin: 1/2 (fermion).
• Barionowy numer kwantowy: 1/3 (kwark niesie 1/3 liczby barionowej; antykwark −1/3).
• Kolor: posiada ładunek kolorowy (trzy kolory QCD: czerwony, zielony, niebieski) i podlega oddziaływaniom silnym. Kwarki są związane przez gluony i nie występują wolno w przyrodzie (zjawisko konfinedacji).
• Masa: masa bieżąca (w schemacie MS¯) wynosi rząd kilku MeV/c² (około 4–5 MeV), natomiast „masa konstytuentna” używana w modelach hadronów jest większa (rząd kilkuset MeV) z powodu energii oddziaływań silnych.
• Izospin: trzecia składowa izospinu I3 = −1/2 (w parze z kwarkiem górnym, który ma I3 = +1/2).

Rola w budowie materii i przemianach

Kwarki dolne są podstawowym składnikiem nukleonów: proton ma skład quarkowy uud, natomiast neutron to udd. Przykładowo, w rozpadzie beta minus zachodzącym w jądrze lub w neutronie, jeden z kwarków d przekształca się przez oddziaływanie słabe w kwark u emitując bozon W−, co prowadzi do przemiany neutronu w proton (d → u + W−, a następnie W− → e− + ν̄e).

Kwark d uczestniczy też w tworzeniu mezonów, np. π− = dῡ (d z anty-u), K0 = d ̄s (d z anty-s) i wielu innych stanów hadronowych. Zachowania i oddziaływania kwarków dolnych opisuje chromodynamika kwantowa (QCD), a ich przemiany słabe — macierz CKM (największy element związany z przejściem d↔u to V_ud ≈ 0.97).

Antycząstka i stabilność

Antycząstką kwarka Downa jest antykwark Downa (oznaczany d̄). Ma on ładunek +1/3 e, spin 1/2, baryonowy numer −1/3 i odwrotne wartości niektórych innych liczb kwantowych. Kwark d jako składnik hadronów jest stabilny w sensie długotrwałego istnienia protonów i neutronów, ale może ulegać przemianom przez oddziaływania słabe w odpowiednich warunkach.

Dowody i historia

Koncepcję kwarków zaproponowali Murray Gell-Mann i George Zweig w 1964 roku jako sposób uporządkowania znanych hadronów. Chociaż kwarki nie występują wolno (konfinedacja), ich istnienie i właściwości zostały potwierdzone pośrednio w eksperymentach rozpraszania głębokiego (deep inelastic scattering), badaniach rozpadu hadronów i w analizach zjawisk jetów w kolizjach cząstek. Współczesne obliczenia na kratownicy (lattice QCD) i pomiary eksperymentalne pozwalają coraz precyzyjniej określać masę i inne parametry kwarków dolnych.

Podsumowując, kwark dolny (d) to lekki, naładowany ujemnie, spin-1/2 składnik materii hadronowej o kluczowej roli w strukturze protonów, neutronów i wielu mezonów oraz w procesach słabych zachodzących w jądrze.