یک پروتون از دوکوارک بالا و یککوارک پایین وگلوئونی که واسط بین نیروهاست و آن‌ها را به هم پیوند می‌زند، تشکیل می‌شود. رنگ گوی‌ها قرمز و سبز و آبی است که موازی با بار رنگ هر کوارک باشند. گوی‌های قرمز و آبی برچسب u (مخفف up) دارند و گوی سبز (d down)
کوارک (بهانگلیسی:Quark) (/ˈkwɔːrk/ or/ˈkwɑːrk/)، یکذره بنیادی و یکی از اجزای پایه‌ای تشکیل‌دهندهماده است. کوارکها با هم ترکیب می‌شوند تاذرات مرکبی به نامهادرون را پدیدآورند که پایدارترین آن‌هاپروتون ونوترون، اجزای تشکیل‌دهندههسته اتم هستند.[۱]به خاطر پدیده‌ای که بهحبس رنگ معروف است، کوارکها هیچ‌گاه به صورت انفرادی یافت نمی‌شوند و مستقیماً قابل مشاهده نیستند؛ آن‌ها را فقط می‌توان درون هادرون‌هایی مانندباریون‌ها (که نمونه‌های آن‌هاپروتون ونوترون هستند) ومزون‌ها یافت.[۲][۳] به همین دلیل بیشتر دانش ما از کوارکها از مشاهدات خود هادرونها نتیجه‌گیری شده است.
شش گونهٔ مختلف از کوارکها وجود دارد که به هر یک از آن‌ها یکمزه می‌گویند:بالا،پایین،افسون،شگفت،سر وته.[۴] کوارکهای بالا و پایین، کوچک‌ترین جرم را در بین کوارکها دارند. کوارکهای سنگین‌تر طی یکفرایند واپاشی ذره به سرعت به کوارکهای بالا و پایین تبدیل می‌شوند: تبدیل شدن از حالت جرم بیشتر به حالت جرم کمتر. به همین علت کوارکهای بالا و پایین عموماً پایدار هستند و رایج‌ترین کوارکها درعلم فیزیک هستند، در حالی که کوارکهای دیگر فقط در برخوردهای پرانرژی (مانندپرتوهای کیهانی وشتاب‌دهنده‌های ذرات) تولید می‌شوند. به ازای هر مزه کوارک یکپادذره متناظر به نامپادکوارک وجود دارد که تنها تفاوت آن با کوارک متناظرش این است که برخی از ویژگی‌های آن اندازهٔ یکسان و علامت مخالف دارند.
از آزمایش‌های انجام‌شده در شتاب‌دهنده‌ها برای وجود هر شش مزه کوارک، شواهدی به‌دست آمده است. آخرین مزه‌ای که کشف شد، کوارک سر بود که درآزمایشگاه فرمی در سال ۱۹۹۵ کشف شد.[۵]
شش تا از ذره‌هایمدل استاندارد کوارک هستند (به رنگ بنفش). هر یک از این سه ستون یکنسل را تشکیل می‌دهند. واحد جرم در تصویر بالا اشتباه است. بعضی از الکترون ولت‌ها مگاالکترون ولت می‌باشند.
پادذره‌های کوارکها راپادکوارک می‌نامند که نماد آن‌ها شبیه نماد کوارک متناظرشان است با این تفاوت که یک خط بالای آن قرار می‌گیرد؛ مثلاً کوارک بالا باu و پادکوارک بالا باu نمایش داده می‌شوند. همان‌گونه که در موردپادماده‌ها معمول است، پادکوارک‌ها از نظر میانگینطول عمر و اسپین و جرم با کوارک متناظرشان یکسان هستند، امابار الکتریکی وبارهای دیگرشان علامت مخالف هم دارند.[۸]
کوارکها ذراتاسپین-۱⁄۲ هستند و در نتیجه بنا برنظریه اسپین-آمار،فرمیون هستند. کوارکها مشمولاصل طرد پاولی نیز می‌شوند که بیان می‌کند که هیچ دو فرمیون یکسانی نمی‌توانند هم‌زمان با هم یکحالت کوانتومی را اشغال کنند.[۹] این برخلاف بوزون‌ها (ذراتی با اسپین عدد صحیح) است که هر تعدادی از آن‌ها می‌توانند در یک حالت باشند. برخلافلپتون‌ها کوارکها دارایبار رنگ هستند که باعث می‌شود بانیروی هسته‌ای قوی برهمکنش داشته باشند. نیروی جاذبه‌ای که از این طریق میان کوارکهای مختلف ایجاد می‌شود، باعث به‌وجود آمدن ذرات مرکبی مانند هادرونها می‌شود.[۱۰]
کوارک‌هایی کهاعداد کوانتومی هادرونها را تعیین می‌کنند،کوارکهای ظرفیت نامیده می‌شوند. علاوه بر این کوارکها هر هادرونی می‌تواند تعداد نامحدودی کوارک، پادکوارک وگلوئونمجازی داشته‌باشد که روی عدد کوانتومی‌اش تأثیری ندارند.[۱۱]دو خانواده از هادرونها وجود دارد: باریون‌ها که سه کوارک ظرفیت دارند و مزون‌ها با یک کوارک ظرفیت و یک پادکوارک.[۱۲]رایج‌ترین باریون‌هاپروتون ونوترون هستند کههسته اتم را می‌سازند.[۱۳]شمار زیادی از هادرونها شناخته شده‌اند (فهرست باریون‌ها وفهرست مزون‌ها را ببینید). تفاوت بیشتر آن‌ها در محتوای کوارک آن‌ها و ویژگی‌هایی است که کوارکهای تشکیل‌دهنده به آن‌ها می‌بخشند. وجودهادرون‌های غیرعادی با تعداد کوارکهای ظرفیت بالاتر مانندتتراکوارکها وپنتاکوارکها مطرح شده[۱۴]اما اثبات نشده است،[nb ۱][۱۴][۱۵]اما در ۲۲ تیر ۱۳۹۴، گروه آزمایش زیبایی برخورد دهنده هادرونی بزرگ درسرن نتایجی را گزارش نمود که با حالت‌های پنتاکوارک همخوانی داشت.[۱۶]
فرمیونهای بنیادی به سهنسل تقسیم می‌شوند که هر نسل شامل دو لپتون و دو کوارک است. نخستین نسل شامل کوارکهای بالا و پایین است، دومین نسل کوارکهای شگفت و افسون و سومین نسل کوارکهای سر و ته می‌شود. تمام جستجوها برای نسل چهارم فرمیون‌ها با شکست روبه‌رو شده است.[۱۷]و شواهد غیرمستقیم محکمی وجود دارد که بیشتر از سه نسل فرمیون وجود ندارد.[nb ۲][۱۸]ذرات نسلهای بالاتر معمولاً جرم بیشتر و پایداری کمتری دارند که باعث می‌شود که توسطنیروی هسته‌ای ضعیف به ذرات نسل پایین‌تر واپاشی شوند. تنها کوارکهای نسل اول یعنی بالاو پایین به‌طور عمومی در طبیعت وجود دارند. کوارکهای سنگین‌تر ممکن است در برخوردهای پرانرژی (مانند آنهایی که شامل پرتوهای کیهانی هستند) و به سرعت واپاشی می‌شوند. هرچند که گمان می‌رود که در نخستین کسرهای ثانیه پس ازمه‌بانگ، وقتیجهان در وضعیت بسیار چگال و داغ (دوره کوارک) بود، وجود داشته‌اند. مطالعات مربوط به کوارکهای سنگین‌تر تحت شرایط ساختگی مانندشتاب‌دهنده‌های ذرات انجام می‌شود.[۱۹]
با داشتن بار الکتریکی، جرم،بار رنگ و مزه، کوارکها تنها ذرات بنیادی هستند که با هر چهارنیروی بنیادی برهمکنش دارند: الکترومغناطیس، گرانش، نیروی هسته‌ای قوی و نیروی هسته‌ای ضعیف.[۱۳] گرانش ضعیف‌تر از آن است که نقش مهمی در برهمکنشهای ذرات منفرد داشته‌باشد، مگر در حدود بالای انرژی (انرژی پلانک) و مقیاسهای فاصله (فاصله پلانک). هرچند که هیچ نظریهگرانش کوانتومی موفقی موجود نیست. مدل استاندارد گرانش را توصیف نمی‌کند.[۲۰]
موری گل-مان درتد در سال ۲۰۰۷. موری گل-مان و جرج زویگ در سال ۱۹۶۴ مدل کوارک را پیشنهاد دادند.
مدل کوارک به صورت جداگانه توسط دو فیزیکدان مختلف به نام‌هایموری گل-مان[۲۱]وجرج زویگ[۲۲][۲۳]در سال ۱۹۶۴ پیشنهاد شد.[۵]این پیشنهاد اندکی پس از فرمولبندی یک سامانه دسته‌بندی ذرات به نامراه هشتگانه یا به بیان فنی‌تر تقارنمزهSU(3) بود که او در سال ۱۹۶۱ را ارائه کرده‌بود.[۲۴]در همان سال فیزیکدان دیگری به نامیووال نیمان نیز طرحی شبیه به راه هشتگانه ارائه داده‌بود.[۲۵][۲۶]
در زمان شکل‌گیری نظری کوارک،باغ‌وحش ذرات در کنار ذرات دیگر، شامل چندینهادرون نیز بود. گل-مان و زویگ ادعا نمودند که اینها ذره نیستند بلکه ترکیبی از کوارکها و پادکوارک‌ها هستند. مدل آن‌ها سه مزه از کوارک را شامل می‌شد، بالا، پایین و شگفت و آن‌ها ویژگی‌هایی مانند اسپین و بار الکتریکی به کوارکها نسبت دادند.[۲۱][۲۲][۲۳]واکنش اولیه جامعه فیزیک به پیشنهاد آمیخته با تردید بود. دودلی ویژه‌ای در این مورد وجود داشت که آیا کوارکها واقعاً به عنوان یک موجودیت فیزیکی وجود دارند یا تنها انتزاعی برای توضیح مفاهیمی هستند که در آن زمان به خوبی فهمیده نشده‌بودند.[۲۷]
در عرض کمتر از یک سال، مدل گسترش‌یافته‌ای از مدل گل-مان-زویگ پیشنهاد شد.شلدون لی گلاشو وجیمز بجورکن وجود مزه چهارمی از کوارکها را پیش‌بینی کردند و آن راافسون نامیدند. دلیل این پیشنهاد آن بود که وجود آن باعث می‌شد توصیف بهتری ازنیروی هسته‌ای ضعیف (سازوکاری که به کوارکها اجازه واپاشی می‌دهد) به دست آید و تعداد کوارکهای شناخته‌شده با تعدادلپتونهای شناخته‌شده برابر می‌شد و همچنین یکفرمول جرم از آن نتیجه می‌شد که به درستی جرممزونهای شناخته‌شده را محاسبه می‌نمود.[۲۸]
در سال ۱۹۶۸، آزمایش‌هایپراکندگی ناکشسان ژرف درمرکز شتاب‌دهنده خطی استانفورد (SLAC) نشان داد که پروتون شاملاجسام نقطه‌مانند بسیار کوچکتری است و بنابراینذره بنیادی محسوب نمی‌شود.[۶][۷][۲۹]فیزیکدانان در آن زمان، تمایل زیادی به اینکه این ذرات ریزتر را به عنوان کوارک بشناسند، نداشتند و در عوض آن راپاترون نامیدند، واژه‌ای که توسطریچارد فاینمن ابداع شده بود.[۳۰][۳۱][۳۲]اجسامی که در SLAC مشاهده شده‌بودند، بعدها که مزه‌های دیگر کشف شدند، مشخص شد که کوارکهای بالا و پایین بوده‌اند.[۳۳]با این وجود هنوز واژه پاترون به عنوان یک واژه کلی برای اجزای تشکیل‌دهنده هادرونها (کوارک، پادکوارک و گلوئون) به‌کار می‌رود.
وجود کوارک شگفت به صورت غیرمستقیم توسط آزمایش‌های پخش SLAC تأیید شد: نه تنها یک بخش ضروری از مدل سه کوارکی گل-مان و زویکی بود، بلکه توضیحی نیز برای هادرون‌هایکائون (K) وپیون (π) که در سال ۱۹۷۴ درپرتوهای کیهانی کشف شده‌بودند، ارائه می‌داد.[۳۴]
در مقاله‌ای در سال ۱۹۷۰، گلاشو،جان ایلیوپولوس ولوسیانو مایانی استدلال دیگری برای وجود کوارک تا آن زمان کشف‌نشده افسون ارائه دادند.[۳۵][۳۶]در سال ۱۹۷۳، وقتی‌کهماکوتو کوبایاشی وشیهید ماسکاوا متوجه شدند که مشاهدات تجربینقض سی‌پی[nb ۳][۳۷]را می‌توان با افزودن یک جفت کوارک دیگر توضیح داد، شمار مزه‌های فرضی کوارک به میزان امروزی آن یعنی ۶ رسید.کوارکهای افسون تقریباً به‌طور هم‌زمان توسط دو تیم جداگانه در نوامبر ۱۹۷۴ تولید شدند؛ یکی در SLAC تحت نظربرتون ریکتر و دیگری درآزمایشگاه ملی بروکهیون تحت نظرساموئل چائو چونگ تینگ. کوارکهای افسون در پیوند با پادکوارک افسون در مزون‌ها مشاهده شدند. دو تیم مختلف دو نماد مختلفJ وψ را به مزون کشف شده تخصیص دادند و به این دلیل بود که این مزون به‌طور رسمیمزون جی‌سای (J/ψ) نامیده شد. این کشف بالاخره باعث شد که جامعه فیزیک در مورد اعتبار مدل کوارک، قانع شوند.[۳۲]
در سالهای بعدی شماری از پیشنهادها مطرح شد که مدل کوارک به ۶ کوارک توسعه داده شود. از میان این پیشنهادها مقاله ۱۹۷۵هایم هراری[۳۸]نخستین نوشته‌ای بود که نامهاسر وته را برای کوارکهای اضافی ابداع نمود.[۳۹]
در سال ۱۹۷۷ کوارک ته توسط گروهی درآزمایشگاه فرمی با هدایتلئون لدرمن مشاهده شد.[۴۰][۴۱]این رخداد گواه مهمی بر وجود کوارک سر بود: بدون کوارک سر، کوارک ته بدون همراه می‌ماند. هرچند که تا سال ۱۹۹۵ طول کشید تا سرانجام کوارک سر هم توسط گروه‌های CDF[۴۲]و DØ[۴۳]در آزمایشگاه فرمی مشاهده شود.[۵]این کوارک جرمی بسیار بیشتر از آنچه انتظار می‌رفت، داشت[۴۴]و تقریباً هم‌جرم یک اتمطلا بود.[۴۵]
تا مدتی گل-مان در مورد نحوه نوشتن واژه‌ای که قصد داشت ابداع کند، دودل بود، تا اینکه واژه quark را در کتاب «شب‌زنده‌داری فینگن‌ها»، نوشتهجیمز جویس، پیدا کرد:
Three quarks for Muster Mark! Sure he has not got much of a bark And sure any he has it's all beside the mark.
گل-مان جزئیات بیشتری در مورد نامگذاری کوارک در کتاب خود با نام «کوارک و جگوار» آورده است:[۴۷]
در سال ۱۹۶۳، وقتی نام کوارک را برای اجزای بنیادین تشکیل‌دهنده هسته اتم برگزیدم، ابتدا آوای آن در ذهنم بود و املایی برایش در نظر نداشتم و می‌توانست به شکلKwork نوشته‌شود. سپس در یکی از خوانش‌های گاه‌گدار کتاب «شب‌زنده‌داری فینگن‌ها»، نوشته جیمز جویس، به واژهquark در عبارت "Three quarks for Muster Mark" برخوردم. از آنجا کهquark می‌بایست باMark و همچنینbark هم‌قافیه باشد، باید بهانه‌ای می‌یافتم که آن را به شکل "kwork" تلفظ کنم.اما کتاب رؤیای می‌فروشی به نام هامفری چیمپدن اییرویکر را نمایش می‌دهد. واژه‌ها در کتاب عموماً هم‌زمان از چند منبع مختلف گرفته‌شده‌اند، مانند واژه‌هایتک‌واژ چندوجهی در «آنسوی آینه». هر از گاهی عبارتهایی در کتاب دیده می‌شوند که تا حدودی توسط درخواست‌های نوشیدنی در بار تعیین می‌شوند. من چنین استدلال نمودم که با توجه به این موضوع شاید یکی از منابع مختلف فریاد "Three quarks for Muster Mark" ممکن است "Three quarts for Mister Mark" بوده‌باشد که در این صورت تلفظ kwork خیلی توجیه‌ناپذیر نیست. در هر صورت عدد ۳ کاملاً با شکلی که کوارکها در طبیعت دارند، هماهنگ بود.
زویگ نامace (آس) را برای ذره‌ای که نظریه‌پردازی کرده‌بود، ترجیح می‌داد اما وقتی مدل کوارک مورد پذیرش همگانی قرار گرفت نام پیشنهادی گل-مان بیشتر مورد توجه قرارگرفت.[۴۸]
نام‌های مزه‌های کوارکها به دلایل مختلفی به آن‌ها داده‌شده است. نام کوارکهای بالا و پایین برگرفته از اجزای بالا و پایینایزواسپینی است که حمل می‌کنند.[۴۹]کوارکهای شگفت نامشان را از آنجا گرفته‌اند که کشف شده‌بود این کوارکها اجزای تشکیل‌دهندهذره‌های شگفتی بودند که درپرتوهای کیهانی سال‌ها قبل از مطرح شدن مدل کوارک، کشف شده‌بودند. این ذره‌ها را از آن جهت شگفت نامیده‌بودند که طول عمر بالایی داشتند.[۵۰]از گلاشو که به همراه بجورکن وجود کوارک افسون را پیشنهاد داده‌بودند، چنین نقل شده است که «ما نام سازه‌مان راکوارک افسون گذاشتیم، زیرا ما مسحور و خرسند از تقارنی بودیم که به دنیای زیراتمی می‌آورد»[۵۱]نام‌هایته وسر هم به این دلیل توسط هراری برگزیده شدند که «همراهان منطقی برای کوارکهای بالا و پایین» هستند.[۳۸][۳۹][۵۰]در گذشته از کوارکهای سر و ته، گاهی با نام‌های «زیبایی» و «حقیقت» یاد می‌شد اما کم‌کم این نام‌ها از کاربرد خارج شدند.[۵۲]با وجود اینکه نامحقیقت دوام نداشت، مجتمع‌های شتاب‌دهنده اختصاص‌یافته بهتولید انبوه کوارکهای ته را گاهی «کارخانه زیبایی» یا «کارخانه بی» می‌خوانند.[۵۳]
کوارکها مقادیربار الکتریکیشانکسری ازبار بنیادی است، بسته بهمزه کوارک، یا۱⁄۳ یا۲⁄۳بار بنیادی (e) است. کوارک‌هایبالا،افسون وسر (که به آن‌ها کوارکهای نوع-بالا هم گفته می‌شود) بار الکتریکی۲⁄۳e+ دارند، درحالی‌که کوارک‌هایپایین،شگفت وته (کوارکهای نوع-پایین) بار الکتریکی۱⁄۳e− دارند. پادکوارک‌ها باری مخالف بار کوارک متناظرشان دارند. پادکوارک‌های نوع-بالا بار الکتریکی۲⁄۳e- و پادکوارک‌های نوع-پایین بار الکتریکی۱⁄۳e+ دارند. از آنجا که بار الکتریکی یکهادرون مجموع بارهای کوارکهای تشکیل‌دهنده‌اش است، تمام هادرونها بارهایشان مضربصحیحی از بار بنیادی است: نتیجه ترکیب سه کوارک (باریون)، سه پادکوارک (پادباریون) یا کوارک و پادکوارک (مزون) این خواهد بود که بار الکتریکی مضرب صحیحی ار بار پایه است.[۵۴]به عنوان مثال، هادرون‌های تشکیل‌دهندههسته اتم،نوترون وپروتون، به ترتیب بارهایی برابر با ۰e و ۱e+ دارند. نوترون شامل دو کوارک پایین و یک کوارک بالا است و پروتون تشکیل‌شده از دو کوارک بالا و بک کوارک پایین است.[۱۳]
اسپین ویژگی ذاتی ذرات بنیادی است و جهت آن نیز یکدرجه آزادی مهم است. گاهی به صورت چرخش یک جسم به دور محور خودش تصویر می‌شود (به همین دلیل به آن اسپین به معنی چرخش می‌گویند)، اما این مفهوم در مقیاسهای زیر اتمی کمی گمراه‌کننده است زیرا این باور وجود دارد که ذرات بنیادینقطه مانند هستند.[۵۵]
اسپین را گاهی با یکبردار نمایش می‌دهند که طول آن بر حسب یکاهایثابت پلانک کاهش‌یافتهħ (اِچ بار) اندازه‌گیری می‌شود. برای کوارکها، اندازه‌گیریمولفه تصویر بردار تنها می‌تواند یکی از نتایجħ/۲+ یاħ/۲− را به دنبال داشته‌باشد؛ به همین دلیل کوارکها به عنوان ذراتاسپین-۱⁄۲ دسته‌بندی می‌شوند.[۵۶]مولفه اسپین در راستای یک محور دلخواه - به رسم معمول، محورz - اغلب با یک پیکان رو به بالا ↑ برای مقدار۱⁄۲+ و روبه پایین برای۱⁄۲−، نمایش داده می‌شود، که بعد از نشانه مزه نوشته می‌شود؛ مثلاً یک کوارک بالا با اسپین۱⁄۲+ در راستای محورz با ↑u نشان داده می‌شود.[۵۷]
یکمزه کوارک تنها از طریق یکی ازنیروهای بنیادی به نامبرهمکنش هسته‌ای ضعیف است، که می‌تواند به مزه دیگری از کوارک تبدیل شود. با جذب یا انتشار یکبوزون دبلیو، هر کوارک نوع-بالایی (بالا، افسون، سر) می‌تواند به هر یک از کوارکهای نوع-پایین (پایین، شگفت، ته) تبدیل شود و بالعکس. این سازوکار تغییر مزه سبب فرایندرادیواکتیوواپاشی بتا می‌شود که طی آن یکنوترون(n) به یکپروتون(p)، یکالکترون(e− ) و یکالکترون پادنوترینو(ν e) تجزیه می‌شود. این فرایند وقتی رخ می‌دهد که یکی از کوارکهای پایین در نوترون(udd) با انتشار یک بوزونW− مجازی به یک کوارک بالا واپاشی می‌شود و نوترون را به یک پروتون(uud) تبدیل می‌کند. بوزونW− نیز به یک الکترون و یک الکترون پادنوترینو تبدیل می‌شود.[۵۸]
(واپاشی بتا، نمادگذاری هادرونی)
p
+
e−
+
ν e
→
n
(واپاشی بتا، نمادگذاری کوارکی)
uud
+
e−
+
ν e
→
udd
هر دو فرایند واپاشی بتا و فرایند معکوس واپاشی بتا به شکل روزمره در کاربردهای پزشکی مانندبرش‌نگاری با گسیل پوزیترون (PET) و در آزمایش‌هایی که شامل آشکارسازینوترینو می‌شود، استفاده می‌شوند.[نیازمند منبع]
قدرت نیروهای هسته‌ای ضعیف بین شش کوارک. "میزان پررنگی" خطوط توسط عناصرماتریس سی‌کی‌ام تعیین میی‌شوند.
اگرچه فرایند تبدیل مزه برای همه کوارکها یکسان است، اما هر کوارکی ترجیح می‌دهد به کوارکی از نسل خودش تبدیل شود. میزان تمایل نسبی به تغییر مزه‌های مختلف توسط یک جدول ریاضی نمایش داده می‌شود، که بهماتریس کابیبو-کوبایاشی-ماسکاوا (ماتریس سی‌کی‌ام) مشهور است. با اعمالعملگر یکانی، مقدار تقریبی درایه‌های ماتریس سی‌کی‌ام به صورت زیر خواهد بود:[۵۹]
که در آنVij نشان‌دهنده میزان تمایل تبدیل کوارکی از مزهi به مزهj (یا برعکس) است.[nb ۴]
برای لپتونها نیز ماتریس برهمکنش ضعیف معادلی وجود دارد کهماتریس پونته‌کوروو-ماکی-ناکاگاوا-ساکاتا (ماتریس پی‌ام‌ان‌اس) نام دارد.[۶۰]ماتریس‌هاای سی‌کی‌ام و پی‌ام‌ان‌اس به همراه هم تمام تبدیل مزه‌ها را توصیف می‌کنند پیوندهای بین این دو هنوز مشخص نیست.[۶۱]
بار رنگ کل تمام انواع هادرونها صفر است.الگوی رنگهای قوی برای سه رنگ از کوارک، سه پارکوارک و ۸ گلوئون.
براساسکرومودینامیک کوانتومی (QCD)، کوارکها ویژگی به نامبار رنگ دارند. سه نوع بار رنک وجود دارد که با برچسب‌هایآبی و سبز و قرمز مشخص می‌شوند.[nb ۵]هریک از آن‌ها مکملی به نام پادرنگ دارند (پادآبی، پادسبز، پادقرمز). هر کوارک حامل یک رنگ و هر پادکوارک حامل یک پادرنگ است.[۶۲]
سیستم ربایش و رانش میان کوارک‌هایی که بار رنگ آن‌ها ترکیبات متفاوتی از سه رنگ هستند،نیروی هسته‌ای قوی نام دارد که توسطذرات حامل نیرو به نامگلوئون منتقل می‌شوند. نظریه‌ای که نیروی هسته‌ای قوی را توصیف می‌کند،کرومودینامیک کوانتومی نام دارد.یک کوارک که رنگ مشخصی دارد، به همراه یک پادکوارک حامل پادرنگ متناظر آن تشکیل یکسیستم ثابت را می‌دهند. نتیجه ربایش میان کوارکها خنثی شدن رنگ است: نتیجه ترکیب یک کوارک با بار رنگξ به علاوه یک پادکوارک با بار رنگξ-، بار رنگ ۰ (رنگ سفید) و تشکیلمزون است. همچنین به شکل مشابهی ترکیب سه کوارک با رنگهای متفاوت یا سه پادکوارک با پادرنگ‌های متفاوت باعث تشکیل رنگ سفید و باریون و پادباریون می‌شود.[۶۳]
در فیزیک ذرات نوین،تقارن پیمانه‌ای - نوعیگروه تقارنی - برهمکنشهای میان ذرات را مرتبط می‌سازد (نظریه پیمانه‌ای را ببینید). رنگ (3)SU، تقارن پیمانه‌ای است که بار رنگ را در کوارکها به هم مرتبط می‌سازد و تقارن تعریف‌کننده کرومودینامیک کوانتومی است.[۶۴]همان‌طور که قوانین فیزیک با تغییر راستای محورهای x و y و z تغییر نمی‌کنند و با چرخش محورهای مختصات همچنان ثابت می‌مانند، فیزیک کرومودینامیک کوانتومی نیز مستقل از جهتی است که برای رنگهای آبی، قرمز و سبز در نظر می‌گیریم. تغییر در رنگهای SU(3)c در فضای رنگی با چرخش محورهای مختصات متناظر است. هر مزهf کوارک که بسته به رنگش، یکی از سه نوعfG,fR یا fB است،[۶۵]تشکیل یک تریپلت را می‌دهد: یکمیدان کوانتومی با سه مؤلفه است که تحت SU(3)c تغییر می‌کند.[۶۶]
جرمهای کوارکهای جاری برای هر ۶ مزه کوارک که برای مقایسه به شکل گویهایی نمایش داده شده‌اند که حجمشان متناسب با جرم کوارک مربوطه است. پروتون و الکترون (قرمزرنک) نیز در گوشه پایین سمت چپ برای مقایسه نمایش داده شده است.
در مورد جرم کوارک، دو اصطلاح مختلف وجود دارد:جرمکوارک جاری که منظور از آن جرم خود کوارک به تنهایی است؛ وجرمکوارک سازنده که منظور از آن جرم کوارک به علاوهمیدان ذره‌ایگلوئون دربرگیرنده کوارک است.[۶۷]مقادیر این دو نوع جرم تفاوت زیادی با هم دارند. بیشتر جرم یک هادرون مربوط به گلوئون‌هایی است که کوارکهای سازنده را به یکدیگر پیوند می‌دهند، تا خود کوارک. البته گلوئون‌ها ذاتاً بدون جرم هستند، اما حاوی انرژی هستند - انرژی پیوندی کرومودینامیک کوانتومی (QCBE0) - و این انرژی بخش اعظم جرم یک هادرون را می‌سازد؛ مثلاً یک پروتون تقریباً جرمی برابر با ۹۳۸MeV/c2 است که از این مقدار، تنها ۱۱MeV/c2 آن مربوط به جرم سکون سه کوارک ظرفیت آن می‌شود و باقی آن عمدتاً مربوط به انرژی QCBE گلوئون‌هایش است.[۶۸]
بر طبق مدل استاندارد، جرم ذرات بنیادی ناشی ازسازوکار هیگز است که بهبوزون هیگز مرتبط است. فیزیکدانان امیدوارند که پژوهشهای بیشتر در مورد دلایل جرم بسیار زیاد کوارک سر (۱۷۳GeV/c2 تقریباً برابر باجرم اتم طلا)[۶۹][۷۰]بتواند دانش موجود را در مورد منشأ جرم کوارکها و سایر ذرات بنیادی ارتقا دهد.[۷۱]
ویژگی‌های اصلی همه شش کوارک مختلف در جدول زیر خلاصه شده‌اند. به هریک از مزه‌ها اعداد کوانتومی (ایزواسپین (I3)،گیرایش ذره(C)، شگفتی (S)،فرازینگی (T)،فرودینگی (′B)) نسبت داده می‌شود که کیفیت‌های سیستم‌های کوارکی وهادرونها را مشخص می‌کنند.عدد باریونی (B) همه کوارکها۱⁄۳+ است، زیرا هر باریون از سه کوارک تشکیل می‌شود. بار الکتریکی (Q) و سایر اعداد کوانتومی مزه‌ها (B,I3،C,S،T، و ′B) در پادکوارک‌ها علامت مخالف با مقادیر متناظر در کوارکها دارند. اما علامتهای جرم و اندازهتکانه زاویه‌ای کل (J که در مورد ذرات نقطه‌ای معادل اسپین است) در پادکوارک‌ها تغییر نمی‌کند.
چنانچه درکرومودینامیک کوانتومی توصیف می‌شود،برهمکنش قوی میان کوارکها به واسطهبوزونهایپیمانه‌ای بدون جرم برداری، به نامگلوئون جاری می‌شود. هر گلوئون یکبار رنگ و یک بار پادرنگ حمل می‌کند. در چارچوب استاندارد برهمکنش ذرات (که بخشی از یک فرمولبندی کلی‌تر به نامنظریه اختلال مستقل از زمان است)، گلوئون‌ها از طریق یک فرایند نشر و جذبمجازی مرتباً میان کوارکها ردوبدل می‌شوند. وقتی گلوئونی از کوارکی به کوارک دیگر منتقل می‌شود، هر دو کوارک تغییر رنگ می‌دهند؛ مثلاً اکر یک کوارک قرمز یک گلوئون قرمز-پادسبز منتشر کند، سبز می‌شود و اگر یک کوارک سبز، یک گلوئون قرمز-پادسبز دریافت کند، قرمز می‌شود. بدین ترتیب در حالی که رنگ هر کوارک پیوسته در حال تغییر است، قانون بقای برهمکنش قوی آن‌ها برقرار است.[۷۲][۷۳][۷۴]
از آنجا که گلوئون‌ها بار رنگ حمل می‌کنند، خودشان نیز می‌توانند گلوئون‌های دیگری منتشر یا جذب کنند. این موضوع سببآزادی مجانبی می‌شود: وقتی کوارکها به هم نزدیک می‌شوند، نیروی پیوندی کرومودینامیک میان آن‌ها تضعیف می‌شود[۷۵]و به صورت معکوس، وقتی فاصله بین آن‌ها زیاد می‌شود، نیروی پیوندی قوی‌تر می‌گردد. میدان رنگ، همانند کش کشسانی که کشیده شده است، دچار استرس می‌شود و گلوئون‌های بیشتری با رنگ مناسب، خودبه‌خود پدید می‌آیند تا میدان را تقویت کنند. وقتی انرژی از حد مشخصی بالاتر می‌رودجفتهای کوارک-پادکوارک پدید می‌آیند. این جفت‌ها با کوارکهای در حال جدایی پیوند تشکیل می‌دهند تاهادرونهای جدیدی تشکیل شوند. این پدیده با نام حبس رنگ شناخته می‌شود: کوارکها به صورت منفرد و مجزا یافت نمی‌شوند.[۷۳][۷۶]این فرایندهادرونی‌سازی پیش از آنکه کوارکها که در جریان یک برخورد پرانرژی پدید آمده‌اند، بتوانند هر برهمکنش دیگری انجام دهند، رخ می‌دهد. تنها استثنا کوارک سر است که می‌تواند پیش از هادرونی‌سازی واپاشی شود.[۷۷]
هادرونها علاوه برکوارک‌های ظرفیتشان (q v) کهاعداد کوانتومی آن‌ها را تعیین می‌کنند، شامل جفتهای کوارک-پادکوارکی (qq) به نامکوارک‌های دریایی نیز هستند. کوارکهای دریایی زمانی شکل می‌گیرند که گلوئونی از میدان رنگ هادرون شکافته شود؛ این فرایند در جهت معکوس نیز کار می‌کند، یعنی فرایندنابودسازی دو کوارک دریایی یک گلوئون تولید می‌کند. نتیجه این می‌شود که جریان پیوسته‌ای از شکافت و پیدایش گلوئون‌ها برقرار می‌شود که اصطلاحاً با نامدریا شناخته می‌شود.[۷۸]پایداری کوارکهای دریایی به مراتب کمتر از کوارکهای ظرفیتی است و معمولاً یکدیگر را در درون هادرون نابود می‌کنند. اما با این حال، کوارکهای دریایی هم می‌توانند تحت شرایط خاصی هادرونی‌سازی شوند و ذرات باریونی یا مزونی تشکیل دهند.[۷۹]
نمایشی کیفی ازنمودار حالت ماده کوارکی. جزئیات دقیق نمودار همچنان مورد پژوهش هستند.[۸۰][۸۱]
تحت شرایط بسیار ویژه، این امکان وجود دارد که کوارکها رها شده و به صورت ذره آزاد یافت شوند. در جریانآزادی مجانبی، برهمکنش قوی در دماهای بالاتر ضعیف‌تر می‌شود. سرانجام پدیده حبس رنگ از بین می‌رود وپلاسمای بسیار داغی از کوارکهای آزاد در حال حرکت و گلوئون‌ها شکل می‌گیرد، این حالت نظری مادهپلاسمای کوارک-گلوئون نام دارد.[۸۲]شرایط مورد نیاز برای پیدایش این حالت دقیقاً شناخته‌شده نیست و موضوع گمانه‌زنی‌ها و آزمایش‌های فراوانی بوده است. برآورد جدیدی، دمای لازم برای آن را۷۰۱۲۱۹۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰♠(۱٫۹۰±۰٫۰۲)×۱۰۱۲ درجهکلوین تخمین می‌زند.[۸۳]اگرچه این حالت از ماده که در آن کوارکها و گلوئون‌ها کاملاً آزاد باشند، هرگز به‌دست نیامده است (علیرغم تلاشهای متعدد توسطسرن در دهه‌های ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰)[۸۴]، از آزمایش‌های اخیر دربرخورددهنده یون‌های سنگین نسبیتی شواهدی از وجود یک ماده کوارکی مایع-مانند به دست آمد کهحرکت شاره‌ایتقریباً کاملی از خود نشان می‌دهد.[۸۵]
ار ویژگی‌های پلاسمای کوارک-گلوئون این خواهد بود که تعداد جفتهای کوارکهای سنگین‌تر به نسبت جفتهای کوارکهای بالا و پایین، افزایش می‌یابد. این باور وجود دارد که تا پیش از۶-۱۰ ثانیه پس ازمه‌بانگ (دوره کوارک)جهان از پلاسمای کوارک-گلوئون تشکیل شده بود و دما بالاتر از آن بود که هادرونها پایدار باشند.[۸۶]
در چگالی‌های باریون به اندازه کافی بالا و دماهای نسبتاً پایین - احتمالاً مانند شرایطی که دریکستاره نوترونی یافت می‌شود -، انتظار می‌رود که ماده کوارکی به یکمایع فرمی از کوارکهای با برهمکنش ضعیف تباهیده شود. ویژگی این مایع،میعانجفتهای کوپر کوارکی رنگ‌دار و در نتیجهشکست محلی تقارن SU(3)c است. از آنجا که جفتهای کوارک بار رنگ دارند، چنین حالتی از ماده کوارکیابررسانای رنگ خواهد بود؛ یعنی بار رنگ می‌تواند در آن بدون هیچ مقاومتی عبور کند.[۸۷]
↑در اوایل دهه ۲۰۰۰، گروه‌های متعددی ادعای اثبات وجود تتراکوارک و پنتاکوارک را نمودند. در حالی که وضعیت تتراکوارک‌ها همچنان نامشخص است، همه نامزدهای پیشین پنتاکوارک مشخص شده که وجود ندارند.
↑شواهد اصلی بر مبنای پهنای رزونانسبوزونZ0 , نتیجه‌گیری می‌شود که نسل چهارم نوترینوها را محدود به این می‌سازد که جرمی بیش از ~۷۰۰۱۴۵۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰♠۴۵ GeV/c۲. داشته باشند و این تناقض زیادی با نوترینوهای سه نسل گذشته دارد که جرمهایشان نمی‌تواند از۷۰۰۰۲۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰♠۲ MeV/c۲ بیشتر باشد.
↑احتمال واقعی واپاشی یک کوارک به کوارک دیگر تابع پیچیده‌ای از جرم کوارک در حال واپاشی،جرم محصولات واپاشی و درایه متناظر در ماتریس سی‌کی‌ام است. این احتمال رابطه مستقیمی با مجذور درایه (|Vij|2) از ماتریس سی‌کی‌ام دارد.
↑برخلاف نامش بار رنگ هیچ ارتباطی با رنگهای طیف نور مرئی ندارد.
↑M. Gell-Mann (2000) [1964]. "The Eightfold Way: A theory of strong interaction symmetry". In M. Gell-Mann, Y. Ne'eman (ed.).The Eightfold Way. Westview Press. p. 11.ISBN0-7382-0299-1. Original:M. Gell-Mann (1961). "The Eightfold Way: A theory of strong interaction symmetry".Synchrotron Laboratory Report CTSL-20.California Institute of Technology.
↑U. Heinz, M. Jacob (2000). "Evidence for a New State of Matter: An Assessment of the Results from the CERN Lead Beam Programme".arXiv:nucl-th/0002042.
