Unterscheiden sich die Quarktypen außer durch Ladung und Masse noch in anderen Dingen?

Ja, Quarks verschiedener Geschmacksrichtungen weisen wichtige Unterschiede in ihren Eigenschaften auf. Wie wir wissen, sind Quarks an allen bekannten Wechselwirkungen beteiligt – aber die Details, wie dies geschieht, sind wichtig.

Beginnen wir mit der schwachen Wechselwirkung. Der$u$Quark ist das leichteste und gegenüber schwachen Wechselwirkungen stabil. Der$d$Quark, das nur ein kleines bisschen schwerer ist, ist quasi-stabil: In Verbindungen wie Proton (uud) ist es stabil, aber in anderen wie Neutron (udd) zerfällt das d-Quark schließlich durch die schwache Wechselwirkung auf einer Zeitskala von ~$10^3$Sekunden. Der$s,c,b$Quarks sind unter der schwachen Wechselwirkung instabil:$s$lebt ungefähr$10^{-8}$S,$c$um$10^{-13}$s und$b$um$10^{-12}$S. (Natürlich beobachten wir keine nackten Quarks, daher sind die von mir zitierten Werte die typischen Lebensdauern von Hadronen, die solche Quarks enthalten.)

Sie haben vielleicht etwas Seltsames in der Reihenfolge bemerkt, die ich oben gepostet habe: Warum ist das schwerer$b$Quark leben länger als die etwas leichteren$c$Quark?

Ordnen wir die Quarks nach Generationen: 1., 2., 3. Spalte sind die jeweiligen Generationen (Bild aus Wikipedia ).

Die Linien in dieser Abbildung zeigen die erlaubten schwachen Zerfälle von Quarks; Je dunkler die Linienfarbe, desto erlaubter ist ein bestimmter Übergang. Zunächst fällt auf, dass es keine horizontalen Übergänge wie z$b \to s$oder$c \to u$: Sie sind verboten. Tatsächlich können sie über komplexere, stärker unterdrückte Mechanismen mit zwei schwachen Wechselwirkungen auftreten, wie z$b\to c \to s$(siehe FCNC ), aber nicht mit einer einfachen schwachen Wechselwirkung. Zweitens bemerkt man, dass die vertikalen Übergänge – die innerhalb einer Generation – überhöht sind. In etwa 99 % der Fälle$t$zerfällt zu$b$, oder$c$zerfällt zu$s$. Die diagonalen Übergänge, wie z$b \to c$oder$b \to u$werden viel stärker unterdrückt. Die Beziehung, die die Raten erlaubter schwacher Zerfälle der Quarks bestimmt, ist die CKM-Matrix .

Was bedeutet diese Beobachtung für die Lebensdauer der Quarks, wenn wir die Quarkmassen kennen? Der$c$Quark hat einen superzulässigen Übergang zum Zerfall$s$(plus unterdrückter Übergang zu$d$). Der$b$Quark kann jedoch seine super-erlaubte Beziehung zu nicht verwenden$t$als die$t$Quark ist schwerer, also der$b$Quark kann nicht in a zerfallen$t$Quark! Das heißt, es zerfällt nur auf unterdrückte Weise$c$oder$u$Quarks, die die Lebensdauer der$b$etwas länger.

Nun, was ist mit der Lebensdauer der$t$Quark? Tatsächlich ist die$t$ist so furchtbar schwer, dass es schwerer ist als die$W$Boson, das schwache Wechselwirkungen vermittelt. Die schwache Wechselwirkung ist einfach deshalb schwach, weil die Bosonen, die sie steuern, viel schwerer sind als die interessierenden Teilchen. Dies ist bei den nicht der Fall$t$: es zerfällt einfach über$t \to W b$ohne jede Art von Unterdrückung. Dies macht seine Lebensdauer lächerlich gering$10^{-25}$s-Ebene. Es ist so wahnsinnig klein, dass wir es nie geschafft haben, Hadronen (zusammengesetzte Teilchen) zu beobachten, die a enthalten$t$Quark, sondern nur die Zerfallsprodukte des$t$selbst.

Es gibt noch eine weitere coole Sache, die sich aus der Struktur der CKM-Matrix ergibt: die CP-Verletzung . CP-Verletzung bedeutet, dass bestimmte Zerfallsmodi eines Hadrons und seines Antihadrons einige Unterschiede in der Geschwindigkeit aufweisen. Die Natur ist so, dass dieser Effekt bei schwachen Zerfällen von Hadronen, die enthalten, am größten ist$b$Quarks und ist in anderen Quarksystemen viel kleiner.

Wie Sie sehen, verursacht die schwache Wechselwirkung die meisten Unterschiede für die Quarks verschiedener Flavours.

Was ist mit der starken Wechselwirkung? Im Prinzip sind hier alle Quarks gleichberechtigt, aber ... auch hier kommt es auf die Details an. Die starke Wechselwirkung hat bei niedrigen Energien eine hohe Kraft, sie zeichnet sich durch die sogenannte asymptotische Freiheit aus . Das heißt, Sie können Quarks nicht aus ihrem gebundenen Zustand nehmen: Wenn Sie dies versuchen, wird die "Bindung" unterbrochen, indem ein Quark-Antiquark-Paar entsteht. Da die starke Wechselwirkung niedrige Energien mag, besteht dieses resultierende Quark-Antiquark-Paar eher aus leichtesten Quarks,$u\bar{u}$oder$d\bar{d}$, als bei schwereren Quarks. (Eine starke Wechselwirkung bewahrt den Quarkgeschmack, daher müssen Sie Quark und Antiquark mit dem gleichen Geschmack herstellen). Aus diesem (aber nicht nur) Grund können bei einer durchschnittlichen Kollision an einem Large Hadron Collider Hunderte von Pionen produziert werden, aber nur Dutzende von Kaonen und ~2 Hadronen aus schwereren Quarks. Pionen, die aus leichten Quarks bestehen, sind auch in Zerfällen schwerer Hadronen reichlich vorhanden, z$B \to D \pi \pi \pi$hätte eine ähnliche oder sogar größere Wahrscheinlichkeit im Vergleich zu$B \to D \pi$.
Diese besondere Rolle von leichten Quarks und Pionen bei starken Wechselwirkungen wird durch das Erhaltungsgesetz des Isospins dargestellt , das die Geschwindigkeiten starker Wechselwirkungsprozesse regelt. Es handelt sich jedoch um ein Näherungsgesetz, da die$u$Und$d$Quarks haben leicht unterschiedliche Massen.

Abschließend zur elektromagnetischen Wechselwirkung. Hier nichts Besonderes, die elektrische Ladung des Quarks bestimmt seine Eigenschaften. Quarks können annihilieren, wenn sie auf ihre Antiquarks treffen:$u\bar{u} \to \gamma \gamma$, aber für schwere Quarks wird dieser elektromagnetische Prozess von der starken Wechselwirkung überschattet,$c\bar{c} \to (2-3) \, gluons \to light \, hadrons$.

Einige abschließende Bemerkungen. In der experimentellen Teilchenphysik hat jedes Quark seine eigene Rolle. Das wichtige Gesetz, das die experimentelle Arbeit beeinflusst, lautet: Je schwerer das Quark ist, desto schwieriger ist es, es herzustellen. Der Querschnitt der Produktion leichter Quarks ist um Größenordnungen größer als der von schweren Quarks. Der$t$Quark wird separat untersucht, da es keine bekannten Hadronen bildet und in Bezug auf die zu seiner Untersuchung erforderlichen Werkzeuge etwas Besonderes ist. Der$b$Quark ist ein beliebtes Werkzeug derjenigen, die CP-Verletzung studieren. Eine coole Sache über die$b$ist, dass es schwer und ziemlich langlebig ist (im Vergleich zu$t$oder$c$), was bedeutet, dass für jeden Hunderte von Abklingmodi verfügbar sind$b$Hadron. So viel zu lernen!$c$Quarks gewinnen in den letzten Jahren an Popularität, da die Menschen lernen, wie man CP-Verletzungen misst$c$Hadronen, und sie haben eine Menge Daten im Vergleich zu$b$Physik (siehe meinen Kommentar zum Querschnitt oben). Seltsame oder leichte Hadronen sind oft langlebig genug, um im Maßstab typischer Teilchendetektoren als stabil behandelt zu werden, sie erzeugen sogar Teilchenstrahlen aus diesen Hadronen.

Diese Antwort ist bei weitem nicht vollständig und ich habe der Einfachheit halber einige Details weggelassen, aber es besteht die Hoffnung, dass ich es geschafft habe, die Frage zu beantworten, ohne das Risiko einzugehen, diesen bösen Kommentar zu erhalten, den die anderen Antworten erhalten haben :)

Wenn die sechs Geschmacksrichtungen ($d,u,s,c,b,t$) alle die gleiche Masse und Ladung hätten, wären sie alle immer noch in dem Sinne unterscheidbar, dass das Modell immer noch Observables enthält, die (wenn sie gemessen werden) eine Art und nicht die anderen erkennen würden.

Betrachten Sie die Quantenchromodynamik (QCD) mit$N$Quark-Aromen gleicher Masse, ohne die schwachen und elektromagnetischen und Higgs-Wechselwirkungen. Dieses Modell hat eine Symmetrie, die alle Geschmacksrichtungen miteinander vermischt, aber es hat immer noch Observables, die eine der Geschmacksrichtungen erkennen$N$Aromen, ohne die anderen zu erkennen. Die Observablen sind durch Symmetrie miteinander verbunden, aber sie sind immer noch unterschiedliche Observablen. (Ich habe nicht darüber nachgedacht, wie man eine solche Observable tatsächlich messen würde, aber die Theorie hat diese Observablen mathematisch.)

Das ist analog zu der Tatsache, dass wir Detektoren bauen können, die nur horizontal polarisierte Photonen oder nur vertikal polarisierte Photonen detektieren, obwohl sie rotationssymmetrisch zueinander stehen. Wir nennen unterschiedliche Photonenpolarisationen nicht unterschiedliche Spezies, weil sie durch eine Raumzeitsymmetrie miteinander verwandt sind . Im Gegensatz dazu sind die verschiedenen Quarks in$N$-Geschmack gleicher Masse QCD sind durch eine innere Symmetrie miteinander verbunden . Ob wir sie verschiedene Arten nennen oder nicht, ist irrelevant: Wie auch immer wir sie nennen, sie sind in dem oben beschriebenen Sinne unterscheidbar .

Ja, das ist richtig und bekannt.

Quarks gibt es in 6 verschiedenen Familien, die Flavors genannt werden : up, down, top, bottom, charm und strange. Jedes hat eine entsprechende Antiquark-Familie, von denen jedes die entgegengesetzte elektrische Ladung der Quark-Familie hat.

Jedes Quark kommt wiederum in drei Farbladungen vor: Rot, Blau oder Grün, die durch die Antifarben (Antirot, Antiblau oder Antigrün) ergänzt werden.

Quarks haben auch Spin 1/2, der nach oben oder unten zeigen kann.

Alle Kombinationen sind möglich und bestimmen genau, wie das Quark mit anderen Quarks interagiert: Rot Antibottom Spin Up, Antigreen Strange Spin Down usw.