كوارك پرجِرم و فیزیک حاکم بر آن

در مدل استاندارد ذرات بنیادی سه نسل كوارك وجود دارد كه هر نسل دارای یك كوارك با بار 3/2 و یكی دیگر با بار 3/1- است. نسل اول را كوارك‌های بالا و پایین (u و d) تشكیل می‌دهند كه سازنده نوكلئون‌ها هستند. نسل دوم از كواركهای افسون و شگفت (c و s) تشكیل شده است، و نسل سوم شامل كواركهای سر و ته (t و b) است. فیزیك كوارك سنگین یعنی كواركهای c،b و t در سال 1974 با كشف كوارك افسون آغاز شد. طیف نمایی ذراتی كه حاوی كواركهای سنگین هستند برای اندازه‌گیری برهم‌كنش قوی میان كوارك‌ها در فواصل خیلی كوتاه به كار رفته است. واپاشی‌های مزون‌های حاوی یك كوارك سنگین و یك كوارك سبك زمینه جدیدی برای آزمودن فیزیك واپاشی‌های ضعیف فراهم كرده است. اخیراً اطلاعات تجربی زیادی در مورد این واپاشی‌های ضعیف گزارش شده كه آزمون‌‌های دقیق‌تری برای مدلهای نظری فراهم كرده است.
كوارك افسون سبكترین كوارك از كواركهای سنگین است و بنابراین كواركی است كه در مورد آن بیشترین اطلاعات را داریم. عمر ذرات افسون (ذراتی كه حاوی كوارك افسون‌اند) 13-10 تا 12-10 ثانیه است كه مشخصه واپاشی ضعیف است. در ابتدا انتظار می‌رفت كه كوارك افسون بدون هیچ تأثیری از پادكوارك (كه تنها به عنوان یك تماشاگر عمل می‌كند) واپاشیده شود. این مدل (یعنی مدل تماشاگر) برای تمام مزون‌های افسون ( D^⃘و D^+ و F^+ كه در آن‌ها كوارك c به ترتیب به پاد كوارك u، d، و s مقید است) كه به طور ضعیف واپاشیده می‌شوند عمرهای مساوی پیش بینی می‌كند. اولین اندازه‌گیری‌های D^⃘ و D^+ نشان داد كه عمر آن‌ها یكسان نیست، و بنابراین این مدل را نقض كرد.
در سال گذشته، اندازه‌گیری دقیق نیمه عمر ذرات افسون انجام شده است. در آزمایش‌های قبلی برای اندازه‌گیری عمر از نمونه‌های كمتر از 50 واپاشی D استفاده شده بود ولی نتایج جدید با استفاده از رویدادهای خیلی بیشتری به دست آمده است. در آزمایشی در آزمایشگاه فرمی برای هركدام از D^⃘ و D^+ ها نمونه‌ای حدود 4000 رویداد در دست تحلیل است. عمر D^+ حدود ps0ر1 اندازه‌گیری شده است، در حالی كه D^⃘ و F^+ برای مدتی حدود ps4ر0 باقی می‌مانند. اندازه‌گیری‌های جدید در مورد باریون افسون ⋀_c نشان می‌دهد عمر آن حتی از عمر D^⃘ و عمر F^+ نیز كمتر است. در بعضی مدل‌ها می‌توان اینطور توجیه كرد كه اختلاف عمر مزون‌های افسون ناشی از آهنگ نسبتاً بالای نابودی كوارك افسون و پادكوارك در D^⃘ و F^+ است كه عمر آنها را كاهش می‌دهد. در مدل‌های دیگر تداخل ویرانگر كه تنها در مورد D^+ رخ می‌دهد عمر آن را افزایش می‌دهد. تعیین هرچه دقیقتر عمر ذرات افسونی كه به طور ضعیف وا می‌پاشند به محدود كردن این مدل‌ها و در نتیجه به حصول تصویر دقیق‌تری از برهم‌كنش‌های اساسی كوارك كمك خواهد كرد.
اطلاعات تجربی دیگری كه برای توضیح واپاشی افسون مورد نیاز است، نسبت انشعاب برای حالت‌های نهایی مختلف است. گروه MarkIII كه با برخورددهنده SPEAR در استانفورد كار می‌كند، تحلیل جدیدی از تمام مدهای مهم واپاشیD^⃘ و D^+ منتشر كرده است. این گروه با جمع آوری تعداد زیادی رویدادهایی كه در آن‌ها هم پاد ذرات و هم ذرات افسون بازسازی می‌شوند، توانست نسبت‌های انشعاب مطلق را به دقت اندازه‌گیری كند. نتیجه این اندازه‌گیری انتقال تمام نسبت‌های انشعاب D به بالا بود، به گونه‌ای كه جمع واپاشی‌های شناخته شده تقریباً به 100% می‌رسد. به علاوه سه گروه موفق شدند مد واپاشی D^⃘→∅K^° را كه عملاً در مدل تماشاگر ممنوع است مشاهده كنند. تلاش شدید تجربی و نظری در مورد این سؤال كه آیا این مد اولین نشانه واضح نابودی كوارك – پادكوارك در واپاشی D^° است ادامه دارد.
در بر هم‌كنش ضعیف، غالباً یك كوارك دیگر در همان نسل تبدیل می‌شود. معهذا، یك برهم‌كنش مهم بین كوارك‌های نسل‌های متفاوت وجود دارد كه شدت جفت شدگی آن كمتر است. چون مزون K سبكترین ذرات حاوی كوارك‌های نسل دوم است، واپاشی ضعیف این مزون ناشی از این جفتیدگی است. یك برهم‌كنش مشابه دیگر میان نسل‌ها مسؤول واپاشی‌های ضعیف مزون‌های B است كه حالت‌های مقید یك كوارك ته و یك پادكوارك سبك‌اند. در این واپاشی‌ها كوارك ته می‌تواند به كمك كوارك افسون و یا به ندرت به یك كوارك بالا بدل شود. جفت شدگی خیلی ضعیف كوارك ته به كوارك بالا اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا در مدلی كه به طور طبیعی مبین نقض CP است مقیاس این نقض را تعیین می‌كند. گروه‌هایی در كورنل و در شتابدهنده DESY در هامبورگ به تحلیل رویدادهای واپاشی β به منظور یافتن حالت‌های نهایی بدون افسون كه از گذار b به u نتیجه خواهد شد. پرداخته‌اند. فعلاً این گروه‌ها حد بالایی حدود 10% را برای كسری از كوارك‌های ته كه به این طریق واپاشیده می‌شوند گزارش می‌كنند. افزایش حساسیت در جستجوی واپاشی مزون‌های B به حالت‌های غیر افسون هنوز هم هدف اصلی آزمایش‌هایی است كه در زمینه واپاشی كوارك ته انجام می‌شوند.
بالاخره، وضعیت كوارك ششم، یعنی كوارك سر هنوز روشن نیست. رویدادهایی كه با واپاشی كوارك سر با جرم GeV50-30 سازگارند در چند سال قبل در آزمایش 1UA مشاهده شده‌اند. با داده‌های بیشتر و با تحلیل بیشتر هنوز هم بهبودی در این وضعیت حاصل نشده است. محرز شدن كوارك سر هنوز مستلزم تجربیات بیشتری است.