Što je kvark?

Kvark je sićušna teorijska čestica koja čini protone i neutrone u atomskoj jezgri. Uz gluone, kvarkovi čine i egzotičnije hadrone poput mezona, koji nisu stabilni. Naziva se teorijskim jer, iako se pretpostavlja da njegovo postojanje čini bolju fizikalnu teoriju, nikada nije izravno promatrana.
Zajedno s leptonima – elektronima, mionima, tau i njima povezanim neutrinama i antičesticama – kvarkovi čine svu vidljivu materiju u svemiru. One su jedine temeljne čestice koje međusobno djeluju putem sve četiri temeljne sile: jake nuklearne sile, slabe nuklearne sile, elektromagnetske sile i gravitacije. Osnovno svojstvo ovih čestica je zatvorenost – svi kvarkovi čine hadrone i nužno nikada nisu neovisni. Opisi njihovih fizikalnih svojstava proizašli su iz kvantne kromodinamike (QCD), teorije jake nuklearne sile koja drži atomsku jezgru na okupu.

Kao i sve druge subatomske čestice, kvarkovi se mogu iscrpno opisati s tri kvantna broja: spin J, paritet P i masa m. Budući da nikada nisu izolirani, ova svojstva se moraju zaključiti promatranjem većih čestica koje čine. Postoji šest poznatih tipova: gore, dolje, šarm, čudno, gore i dolje. Ova imena su čisto proizvoljna i ne sugeriraju ništa o svojstvima svakog kvarka.

Normalna materija koja čini većinu svemira sastoji se od gore i dolje kvarkova, koji su najlakše čestice. Proton se sastoji od dva gornja i jednog donjeg kvarka, dok je neutron napravljen od dva donja i jednog gornjeg kvarka.
Kvarkovi imaju različite mase, koje se mjere u GeV (giga elektron-volti) preko brzine svjetlosti na kvadrat. Subatomske čestice se mjere u smislu energije koju proizvode, a ne mase u gramima. Donji kvark je otprilike dvostruko masivniji od gornjeg. Čudno je oko 20 puta masivnije od down kvarka. Šarm kvark je oko 10 puta masivniji od toga, a slijedi ga donji, koji je otprilike tri puta masivniji od posljednjeg, i konačno gornji kvark, koji je najmasivniji od svih. Povećanje mase obično odgovara oskudici čestice i zahtijeva egzotičnije fizičke uvjete za njezino očitovanje.

Fizičari su u potrazi za teoretiziranom kvarkovom materijom, hipotetskom rešetkom napravljenom od kontinuiranih kvarkova povezanih gluonima. Još nije poznato je li ova vrsta materije fizički moguća. Ako je tako, vjerojatno bi se našao u jezgri iznimno kompaktnih zvijezda koje se još nisu srušile u crnu rupu.