Quark

Quark (phát âm /ˈkwɔrk/ hoặc /ˈkwɑrk/, đọc là Quắc trong tiếng Việt) là một loại hạt cơ bản, là thành phần thiết yếu của vật chất. Các quark kết hợp lại để tạo thành các hạt tổ hợp, hay còn gọi là hadron, trong đó proton và neutron là những hạt ổn định nhất, cấu thành hạt nhân nguyên tử. Do hiện tượng gọi là sự giam hãm màu, quark không bao giờ xuất hiện đơn lẻ mà chỉ tồn tại trong các hadron. Nhiều thông tin về quark được biết đến thông qua các hadron mà chúng tạo nên.

Có sáu loại quark, được gọi là hướng: lên (u), xuống (d), duyên (c), lạ (s), đỉnh (t), và đáy (b). Quark lên (u) và quark xuống (d) có khối lượng nhẹ nhất so với các quark khác. Các quark nặng hơn nhanh chóng biến thành quark u và d qua quá trình phân rã, chuyển từ trạng thái khối lượng cao hơn sang thấp hơn. Vì vậy, quark u và d thường ổn định và phổ biến nhất trong vũ trụ, trong khi các quark duyên (c), lạ (s), đỉnh (t), và đáy (b) chỉ xuất hiện trong các va chạm năng lượng cao như trong tia vũ trụ và máy gia tốc hạt.

Quark có nhiều thuộc tính nội tại như điện tích, màu tích, spin và khối lượng. Chúng là những hạt cơ bản duy nhất trong mô hình chuẩn của vật lý hạt tham gia vào bốn tương tác cơ bản (điện từ, hấp dẫn, mạnh, và yếu) và có điện tích không phải là bội số nguyên của điện tích nguyên tố. Mỗi loại quark có một loại phản hạt tương ứng, gọi là phản quark, có các thuộc tính đối xứng nhưng trái dấu.

Mô hình quark được các nhà vật lý Murray Gell-Mann và George Zweig độc lập đề xuất vào năm 1964. Quark được giới thiệu như một phần của mô hình phân loại các hadron, và mặc dù có rất ít bằng chứng về sự tồn tại của chúng cho đến năm 1968. Tất cả sáu loại quark đã được phát hiện trong các máy gia tốc thực nghiệm, và quark cuối cùng được phát hiện là quark đỉnh (t) tại Fermilab vào năm 1995.

Phân loại

Mô hình chuẩn là lý thuyết tổng quát về các hạt cơ bản mà chúng ta biết hiện nay, bao gồm cả boson Higgs, một loại hạt chưa quan sát được. Mô hình này bao gồm sáu loại quark, gọi là (q): quark lên (u), quark xuống (d), quark duyên (c), quark lạ (s), quark đỉnh (t), và quark đáy (b). Các phản hạt của quark, gọi là phản quark, được ký hiệu bằng dấu gạch ngang trên mỗi quark tương ứng, chẳng hạn như u cho phản quark lên (u). Các phản quark có cùng khối lượng, thời gian sống trung bình, và spin như quark, nhưng có điện tích và các đặc tính khác ngược lại.

Quark là các hạt có spin-⁄₂, cho thấy chúng là các fermion và tuân theo định lý thống kê spin. Chúng cũng phải tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli, nghĩa là không có hai fermion nào có thể đồng thời ở cùng một trạng thái lượng tử. Ngược lại, các boson (hạt có spin nguyên) có thể có số lượng vô hạn trong cùng một trạng thái. Khác với lepton, quark có đặc tính màu tích, giúp chúng tham gia vào tương tác mạnh. Lực hấp dẫn giữa các quark dẫn đến sự hình thành các hadron (xem 'Tương tác mạnh và màu tích').

Quark xác định các số lượng tử của hadron, gọi là quark hóa trị; bên cạnh đó, hadron có thể chứa vô số các hạt ảo (hay biển) bao gồm quark, phản quark, và gluon, mà không làm thay đổi số lượng tử của hadron. Có hai loại hadron: baryon, bao gồm ba quark hóa trị, và meson, bao gồm một quark và một phản quark hóa trị. Baryon phổ biến nhất là proton và neutron, là các thành phần của hạt nhân nguyên tử. Nhiều hadron đã được biết đến (xem danh sách các baryon và meson), khác nhau chủ yếu về thành phần quark và tính chất của chúng. Các hadron 'ngoại lai' với nhiều hơn ba quark hóa trị, như tetraquark (qqqq) và pentaquark (qqqqq), đã được dự đoán nhưng vẫn chưa được chứng minh.

Các fermion cơ bản được phân thành ba thế hệ, mỗi thế hệ bao gồm hai lepton và hai quark. Thế hệ đầu tiên chứa quark lên u và quark xuống d, thế hệ thứ hai có quark lạ s và quark duyên c, còn thế hệ thứ ba gồm quark đỉnh t và quark đáy b. Mặc dù đã có nhiều nỗ lực tìm kiếm thế hệ thứ tư với các quark và fermion cơ bản khác, nhưng tất cả đều thất bại, và có bằng chứng gián tiếp mạnh mẽ cho thấy không thể tồn tại nhiều hơn ba thế hệ. Các hạt thuộc thế hệ cao hơn thường có khối lượng lớn hơn và ít ổn định hơn, do đó chúng phân rã thành các hạt thuộc thế hệ thấp hơn thông qua các tương tác yếu. Trong tự nhiên, chỉ có thế hệ đầu tiên (quark u và d) xuất hiện phổ biến. Các quark nặng hơn chỉ xuất hiện trong các va chạm năng lượng cao (như trong các tia vũ trụ) và phân rã rất nhanh; tuy nhiên, chúng được cho là đã tồn tại trong thời kỳ ngắn ngủi sau Big Bang, khi vũ trụ còn rất nóng và đặc (kỷ nguyên quark). Nghiên cứu các quark nặng hơn thường được thực hiện trong các điều kiện nhân tạo, chẳng hạn như trong các máy gia tốc hạt.

Quark là các hạt cơ bản duy nhất mà chúng ta biết có tham gia vào cả bốn tương tác cơ bản của vật lý hiện tại: tương tác điện từ, tương tác hấp dẫn, tương tác mạnh và tương tác yếu, với các đặc tính như điện tích, khối lượng, màu tích, và hương. Tuy nhiên, tương tác hấp dẫn là quá yếu trong thang đo hạt hạ nguyên tử, và không được mô tả trong Mô hình chuẩn.

Xem bảng các tính chất dưới đây để có cái nhìn tổng quan chi tiết về các đặc tính của sáu loại quark.

Lịch sử

Vào năm 1964, mô hình quark đã được hai nhà vật lý Murray Gell-Mann và George Zweig độc lập đề xuất. Đề xuất này được đưa ra ngay sau khi Gell-Mann công bố công thức phân loại hạt gọi là Bát Chính Đạo năm 1961, hay còn gọi là đối xứng SU(3) trong vật lý. Cùng thời điểm, nhà vật lý người Israel Yuval Ne'eman cũng đã phát triển một biểu đồ tương tự như Bát Chính Đạo.

Ngay từ những ngày đầu của lý thuyết quark, khái niệm 'vườn hạt' đã được giới thiệu, bao gồm cả các hadron ngoài các hạt cơ bản. Gell-Mann và Zweig cho rằng các hadron không phải là hạt cơ bản mà là sự kết hợp của quark và phản quark. Mô hình của họ mô tả ba loại quark – lên u, xuống d, và lạ s – cùng với các tính chất như spin và điện tích. Ban đầu, cộng đồng vật lý đã phản ứng với giả thuyết này bằng sự hoài nghi, với nhiều tranh cãi về việc các quark có phải là thực thể vật lý hay chỉ là khái niệm trừu tượng để giải thích các hiện tượng vật lý.

Chỉ vài năm sau, mô hình của Gell-Mann – Zweig đã được mở rộng với sự bổ sung của vị quark thứ tư, được gọi là duyên bởi Sheldon Lee Glashow và James Bjorken. Đề xuất này giúp cải thiện mô tả tương tác yếu, cân bằng số lượng quark và lepton đã biết, và cung cấp một công thức khối lượng chính xác hơn cho các meson trước đó.

Năm 1968, các thí nghiệm tán xạ phi đàn hồi sâu tại Trung tâm Máy gia tốc tuyến tính Stanford (SLAC) đã chỉ ra rằng proton chứa các thành phần nhỏ hơn, các hạt giống như điểm, chứng minh rằng proton không phải là hạt cơ bản. Lúc đó, các nhà vật lý không đồng nhất các hạt này với quark, mà gọi chúng là 'các parton', thuật ngữ do Richard Feynman đưa ra. Sau đó, các hạt quan sát tại SLAC được nhận diện là quark lên u và quark xuống d, và nhiều quark khác đã được phát hiện. Dù vậy, 'parton' vẫn được dùng như một thuật ngữ chung để chỉ các thành phần của hadron (quark, phản quark và gluon).

Sự tồn tại của quark lạ s đã được xác nhận gián tiếp qua thí nghiệm tán xạ ở SLAC: không chỉ là thành phần cần thiết trong mô hình quark 3 của Gell-Mann và Zweig, mà còn cung cấp một cách giải thích cho các hadron kaon (K) và pion (π) được phát hiện trong các tia vũ trụ năm 1947.

Năm 1970, Glashow, John Iliopoulos và Luciano Maiani đã đưa ra một lý do sâu xa hơn cho sự tồn tại của hạt quark duyên, một loại hạt vẫn chưa được phát hiện. Vào năm 1973, số lượng các hương quark được đề xuất đã tăng lên đến 6, khi Makoto Kobayashi và Toshihide Maskawa nhận ra rằng các quan sát về vi phạm CP có thể được giải thích nếu có thêm một cặp quark khác.

Vào tháng 11 năm 1974, hai nhóm nghiên cứu đã đồng thời phát hiện ra quark duyên (xem Cuộc Cách mạng tháng Mười một)—một nhóm tại SLAC do Burton Richter dẫn đầu và một nhóm tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven do Samuel Ting đứng đầu. Quark duyên được quan sát khi nó kết hợp với phản quark duyên để tạo thành các meson. Hai nhóm đã đặt tên cho meson này bằng các ký hiệu khác nhau, J và ψ; vì vậy nó thường được gọi là meson J/ψ. Phát hiện này đã xác nhận tính chính xác của mô hình quark đối với cộng đồng vật lý.

Trong những năm tiếp theo, nhiều đề xuất đã được đưa ra để mở rộng mô hình quark với 6 quark. Một trong số đó là bài báo của Haim Harari năm 1975, trong đó lần đầu tiên ông giới thiệu các thuật ngữ quark đỉnh và quark đáy.

Năm 1977, quark đáy được phát hiện bởi một nhóm các nhà khoa học tại Fermilab dưới sự dẫn dắt của Leon Lederman. Đây là một dấu hiệu rõ ràng cho sự tồn tại của quark đỉnh: nếu không có quark đỉnh, quark đáy sẽ không có đối tác. Tuy nhiên, phải đến năm 1995, quark đỉnh mới được quan sát, cũng bởi Máy dò Va chạm tại Fermilab (CDF) và DØ do các nhà khoa học tại Fermilab thực hiện. Quark đỉnh có khối lượng lớn hơn nhiều so với dự đoán trước đó—nặng tương đương hoặc thậm chí nặng hơn nguyên tử vàng.

Nguồn gốc của tên gọi

Gell-Mann đã có ý định đặt tên là quark sau khi nghe âm thanh từ những con vịt. Ban đầu, ông chưa quyết định được cách viết chính thức cho thuật ngữ của mình, cho đến khi phát hiện từ quark trong tác phẩm Finnegans Wake của James Joyce.

Ba quarks cho Muster Mark!
Chắc chắn ông không có nhiều tiếng sủa
Và chắc chắn nếu có, thì cũng chẳng ảnh hưởng gì nhiều.

—James Joyce, Finnegans Wake

Gell-Mann giải thích chi tiết về cái tên quark trong cuốn sách của mình, The Quark and the Jaguar:

Zweig ưa thích cái tên ace hơn trong lý thuyết của mình, nhưng thuật ngữ của Gell-Mann đã trở nên phổ biến khi mô hình quark được chấp nhận rộng rãi.

Tên gọi của các hương quark được chọn vì nhiều lý do khác nhau. Các quark lên và xuống được đặt tên theo các thành phần lên và xuống của spin đồng vị mà chúng mang theo. Quark lạ được đặt tên do chúng được phát hiện là thành phần của các hạt lạ trong tia vũ trụ trước khi mô hình quark ra đời; những hạt này được coi là 'lạ' vì thời gian sống của chúng không bình thường. Glashow, người cùng Bjorken đưa ra khái niệm 'quark lạ', nói rằng 'Chúng tôi đã đặt tên 'quark lạ' vì chúng tôi thấy thích thú với sự đối xứng mà nó mang lại cho thế giới hạt hạ nguyên tử.' Các tên gọi 'đỉnh' và 'đáy' do Harari đưa ra, được chọn vì chúng 'phù hợp với các quark lên và xuống.' Trước đây, các quark đỉnh t và đáy b thường được gọi là 'sự thật' (truth) và 'đẹp' (beauty), nhưng những tên này đã không còn được sử dụng nữa.

Các tính chất

Điện tích

Các quark có điện tích dưới dạng phân số – là ⁄₃ hoặc +⁄₃ lần điện tích nguyên tố, tùy thuộc vào loại quark. Các quark lên, duyên, và đỉnh (gọi chung là quark kiểu – lên) có điện tích +⁄₃, trong khi các quark xuống, lạ, và đáy (quark kiểu – xuống) có điện tích −⁄₃. Các phản quark có điện tích trái dấu so với các quark; phản quark kiểu – lên có điện tích −⁄₃ và phản quark kiểu – xuống có điện tích +⁄₃. Điện tích của một hadron là tổng của các điện tích của các quark tạo thành hadron đó, do đó mọi hadron có điện tích là số nguyên: tổng của ba quark (tạo thành baryon), ba phản quark (tạo thành phản baryon), hoặc một quark và một phản quark (tạo thành meson) luôn luôn là các điện tích nguyên.

Ví dụ, các hadron là thành phần của hạt nhân nguyên tử, như neutron và proton, có điện tích lần lượt là 0 và +1; neutron bao gồm hai quark xuống d và một quark lên u, còn proton gồm hai quark lên u và một quark xuống d.

Spin

Spin là một thuộc tính cơ bản của các hạt, và hướng của nó là một yếu tố quan trọng trong bậc tự do của chúng. Nó thường được hình dung như việc một vật quay quanh trục của chính nó (do đó tên gọi 'spin'), mặc dù khái niệm này không hoàn toàn chính xác ở cấp độ nguyên tử, vì các hạt cơ bản được coi là các hạt điểm.

Spin có thể được biểu diễn bằng một vectơ với độ dài đo bằng các đơn vị của hằng số Planck rút gọn ħ (đọc là 'h ngang'). Đối với các quark, khi đo các thành phần của vectơ spin dọc theo một trục bất kỳ, chỉ thu được các giá trị +ħ/2 hoặc −ħ/2; vì lý do này, các quark được phân loại là các hạt spin-⁄₂. Các thành phần của vectơ spin dọc theo một trục – ký hiệu là z – thường được gán bằng mũi tên chỉ lên trên ↑ cho giá trị +⁄₂ và mũi tên chỉ xuống dưới ↓ cho giá trị −⁄₂, đặt sau ký hiệu cho hương. Ví dụ, một quark lên (u) với spin +⁄₂ dọc theo trục z được ký hiệu là u↑.

Tương tác yếu

Một hương quark chỉ có thể chuyển đổi thành hương quark khác thông qua tương tác yếu, một trong bốn lực cơ bản trong vật lý hạt. Khi hấp thụ hoặc phát ra một boson W, bất kỳ quark hương lên (như quark lên, quark duyên, quark đỉnh) có thể chuyển thành quark hương xuống (như quark xuống, quark lạ, quark đáy) và ngược lại. Cơ chế này là nguyên nhân của quá trình phân rã beta, khi một neutron (n) phân rã thành một proton (p), một electron (e
) và một phản neutrino electron (ν
_e) (xem hình). Điều này xảy ra khi một quark xuống trong neutron (udd) chuyển thành một quark lên nhờ phát ra một boson W ảo, biến neutron thành proton (uud). Boson W sau đó phân rã thành một electron và một phản neutrino electron.

Phân rã beta và quá trình ngược lại, gọi là phân rã ngược beta, thường được ứng dụng trong y học như chụp cắt lớp phát xạ positron (PET) và trong các thí nghiệm năng lượng cao như các máy dò neutrino.

Mặc dù quá trình biến đổi hương là giống nhau cho tất cả các quark, mỗi quark có xu hướng chuyển đổi thành một quark khác trong cùng thế hệ của nó. Khả năng xảy ra của các biến đổi này được mô tả bởi một bảng toán học gọi là ma trận Cabibbo–Kobayashi–Maskawa (ma trận CKM). Biên độ ước lượng của các phần tử trong ma trận CKM là:

Trong đó V_ij đại diện cho xác suất chuyển đổi từ một hương của quark i sang một hương của quark j (hoặc ngược lại).

Có một ma trận tương tác yếu tương đương với các lepton (được đặt bên phải boson W trên biểu đồ phân rã beta ở trên), gọi là ma trận Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (ma trận PMNS). Cùng với ma trận CKM, ma trận PMNS miêu tả toàn bộ sự biến đổi của hương, tuy nhiên, mối liên hệ giữa hai ma trận này vẫn chưa hoàn toàn được hiểu rõ.

Tương tác mạnh và màu sắc

Các quark sở hữu một thuộc tính gọi là màu sắc. Chúng có ba loại màu sắc được gọi là lam, lục, và đỏ. Tương ứng với các màu này là các phản màu – phản lam, phản lục, và phản đỏ. Mỗi quark mang một màu, và mỗi phản quark mang một phản màu.

Tương tác mạnh là sự kết hợp giữa các quark với nhau và các màu sắc khác nhau, với các hạt trung gian truyền lực gọi là gluon; điều này được trình bày chi tiết bên dưới. Lý thuyết mô tả tương tác mạnh là Sắc động lực học lượng tử (QCD). Một quark mang màu tích có thể kết hợp với một phản quark mang phản màu tương ứng để tạo thành một hệ đóng; ba (phản) quark với ba màu khác nhau cũng tạo thành một hệ đóng. Kết quả của sự kết hợp giữa hai quark sẽ tạo thành một màu trung tính: Một quark với màu tích ξ kết hợp với một phản quark mang màu tích -ξ sẽ tạo thành một màu tích 0 (hoặc màu 'trắng') và hình thành một hạt meson. Tương tự, sự kết hợp của ba quark hay ba phản quark, mỗi quark với màu tích khác nhau, sẽ tạo ra một màu tích 'trắng' và hình thành một baryon hoặc phản baryon.

Trong vật lý hạt hiện đại, đối xứng chuẩn (hay còn gọi là đối xứng gauge) là một loại nhóm đối xứng liên quan đến các tương tác giữa các hạt cơ bản (xem lý thuyết chuẩn hoặc lý thuyết gauge). Đối xứng màu SU(3) (thường viết tắt là SU(3)_c) là một loại đối xứng chuẩn liên quan đến màu sắc của các quark và quy định sự đối xứng trong Sắc động lực học lượng tử. Tương tự như các định luật vật lý không thay đổi khi trục tọa độ trong không gian được quay, các định luật trong Sắc động lực học lượng tử không thay đổi khi không gian màu ba chiều (gắn liền với các màu lam, lục và đỏ) được biến đổi. Sự biến đổi màu SU(3)_c tương đương với các phép quay trong không gian màu này (về mặt toán học là một không gian phức). Mỗi hương của quark f, cùng với các hương nhỏ f_B, f_G, f_R tương ứng với các màu của quark, tạo thành một bộ ba: một ba-thành phần trường lượng tử biến đổi theo biểu diễn cơ sở của SU(3)_c. Do SU(3)_c phải là cục bộ – có nghĩa là các biến đổi của nó phải được phép thay đổi trong không gian và thời gian – nó quy định các tính chất của tương tác mạnh, đặc biệt là sự tồn tại của tám loại gluon để thực hiện vai trò của chúng như các hạt truyền lực.

Khối lượng

Có hai thuật ngữ liên quan đến khối lượng của quark: khối lượng quark hiện tại, chỉ bao gồm khối lượng của các hạt quark bản thân, và khối lượng quark thành phần, bao gồm khối lượng quark hiện tại cộng với khối lượng của các gluon xung quanh các quark. Các giá trị của những khối lượng này rất khác nhau. Hầu hết khối lượng của hadron chủ yếu đến từ các gluon, những hạt liên kết các quark với nhau, chứ không phải từ khối lượng của các quark. Mặc dù gluon không có khối lượng, chúng có năng lượng, đặc biệt là năng lượng liên kết sắc động lực học lượng tử (QCBE), và năng lượng này đóng góp rất lớn vào tổng khối lượng của hadron (xem khối lượng trong thuyết tương đối hẹp và sự tương đương năng lượng-khối lượng). Ví dụ, một proton có khối lượng khoảng 938 MeV/c, trong khi khối lượng nghỉ của ba quark hóa trị chỉ khoảng 11 MeV/c, phần còn lại chủ yếu do gluon QCBE đóng góp.

Mô hình Chuẩn khẳng định rằng các hạt cơ bản có khối lượng nhờ cơ chế Higgs, liên quan đến hạt boson Higgs, mà hiện tại vẫn chưa được xác nhận thực nghiệm. Các nhà vật lý kỳ vọng rằng nghiên cứu sâu hơn về nguyên nhân hạt quark đỉnh (t) có khối lượng rất lớn, xấp xỉ bằng khối lượng của hạt nhân vàng (~171 GeV/c), có thể làm sáng tỏ nguồn gốc khối lượng của các quark và các hạt cơ bản khác.

Bảng các tính chất

Bảng dưới đây tổng hợp các đặc điểm quan trọng của sáu loại quark. Các số lượng tử như spin đồng vị (I₃), số duyên (C), số lạ (S), số đỉnh (T), và số đáy (B′) được xác định cho mỗi loại quark và phân loại chúng thành ba thế hệ. Đối với mọi quark, số baryon (B) là +⁄₃ vì tất cả baryon chứa ba quark. Đối với các phản quark, điện tích (Q) và tất cả các số lượng tử hương (B, I₃, C, S, T, và B′) đều có dấu ngược lại. Tuy nhiên, khối lượng và mô men động lượng toàn phần (J; tương đương với spin đối với các hạt điểm) không thay đổi dấu đối với phản quark. Giá trị tuyệt đối của các thuộc tính giữa quark và phản quark là giống nhau.

Tương tác giữa các quark

Tương tác mạnh giữa các quark, được mô tả bởi lý thuyết sắc động lực học lượng tử, được truyền qua các gluon, là các boson gauge vector không có khối lượng. Mỗi gluon mang một màu tích và một phản màu tích. Trong mô hình chuẩn của các tương tác hạt (một phần của lý thuyết nhiễu loạn tổng quát hơn), gluon liên tục được trao đổi giữa các quark qua quá trình phát và hấp thụ các hạt ảo. Khi một gluon được truyền giữa các quark, màu tích của chúng cũng thay đổi; ví dụ, nếu một quark đỏ phát ra một gluon đỏ-phản lục, quark này sẽ biến thành quark lục, và ngược lại nếu một quark lục hấp thụ một gluon đỏ-phản lục thì nó sẽ thành quark đỏ. Nhờ vậy, dù màu của các quark liên tục thay đổi, tương tác mạnh giữa chúng luôn được bảo toàn.

Vì gluon mang màu tích, chúng có khả năng phát ra hoặc hấp thụ các gluon khác. Điều này dẫn đến hiện tượng tự do tiệm cận: khi các quark lại gần nhau hơn, lực liên kết sắc động lực học lượng tử giữa chúng trở nên yếu hơn.

Ngược lại, khi các quark cách xa nhau hơn, lực liên kết giữa chúng trở nên mạnh mẽ hơn. Trường màu bị nén lại như một sợi dây cao su bị kéo căng, dẫn đến việc nhiều gluon với màu sắc tích hợp được sinh ra một cách tự phát, làm tăng cường trường màu. Khi đạt đến một mức năng lượng nhất định, các cặp quark và phản quark sẽ xuất hiện. Những cặp này nối kết các quark bị tách biệt với nhau, hình thành nên các hadron mới. Hiện tượng này được gọi là sự giam hãm màu: Các quark không bao giờ tồn tại một cách cô lập. Quá trình hadron hóa xảy ra trước khi quark hình thành trong một va chạm năng lượng cao có thể tương tác với các hạt khác theo bất kỳ cách nào. Quark đỉnh t là một ngoại lệ, vì nó có thể phân rã trước khi bị hadron hóa.

Biển quark

Các hadron, cùng với các quark hóa trị (q
_v), đóng góp vào các số lượng tử của chúng và chứa các cặp quark ảo-phản quark ảo (qq) gọi là biển quark (q
_s). Biển quark hình thành khi một gluon của trường màu hadron tách ra; ngược lại, khi hai biển quark hủy nhau sẽ tạo ra một gluon. Điều này dẫn đến một dòng liên tục các gluon tách ra và hình thành cái gọi là 'biển quark'. Biển quark không ổn định như các quark hóa trị và thường hủy lẫn nhau trong các hadron. Tuy nhiên, biển quark có thể hadron hóa thành các hạt baryon hoặc meson trong những điều kiện nhất định.

Các pha khác của vật chất quark

Dưới những điều kiện nhất định, các quark có thể thoát khỏi trạng thái bị giam hãm và tồn tại dưới dạng hạt tự do. Theo nguyên lý tự do tiệm cận, lực tương tác mạnh sẽ yếu dần khi nhiệt độ tăng cao. Có thể xảy ra hiện tượng giam hãm màu biến mất, dẫn đến việc hình thành plasma quark-gluon cực nóng với các hạt quark và gluon di chuyển tự do. Điều kiện chính xác để đạt được trạng thái này vẫn chưa được xác định và là chủ đề của nhiều nghiên cứu và suy đoán. Ước lượng gần đây cho rằng nhiệt độ cần thiết là 1,90±0,02×10¹² kelvin.

Plasma quark-gluon có thể được miêu tả bằng việc gia tăng số lượng các cặp quark nặng hơn so với số lượng cặp quark lên u và quark xuống d. Trong giai đoạn 10 giây sau Vụ Nổ Lớn (kỉ nguyên quark), vũ trụ đã tràn ngập plasma quark-gluon do nhiệt độ quá cao để các hadron có thể tồn tại ổn định.

Khi mật độ baryon đủ cao và nhiệt độ tương đối thấp, như trong các sao neutron, vật chất quark có thể suy biến thành chất lỏng Fermi do tương tác yếu giữa các quark. Chất lỏng này có thể được mô tả bằng sự ngưng tụ của các cặp Cooper quark màu, dẫn đến sự phá vỡ đối xứng cục bộ SU(3)_c. Do các cặp Cooper quark mang màu tích, các pha của vật chất quark sẽ trở thành siêu dẫn màu, nghĩa là màu tích có thể di chuyển mà không bị cản trở.