Ква́рки, частицы со спином ¹/₂, элементарные составляющие всех адронов: барионов и мезонов. В пределах точности современного эксперимента кварки – точечные, бесструктурные образования (их размеры <10^–16 см). Известно 6 типов кварков: $u$, $d$, $s$, $c$, $b$, $t$. Типы кварков различаются значениями присущих им квантовых чисел и массами. Каждый тип кварка $q_i$ представлен тремя разновидностями $q_i^\alpha$, у которых квантовые числа и масса одинаковы, но есть различие в особой характеристике (отсутствующей у адронов), названной цветом и

принимающей 3 различных значения ( $\alpha=1,2,3$ ). В первом приближении каждый барион В состоит из трёх кварков, вообще говоря, разных типов, каждый мезон М – из кварка и антикварка,

cимволически: B = ($q_iq_jq_k$), M = ($q_i \tilde q_j$), причём в обоих случаях реализуются суммы определённых комбинаций цветов (см. ниже).

Гипотеза о том, что адроны построены из специфических субъединиц – кварков, впервые выдвинута М. Гелл-Маном (Нобелевская премия, 1969) и, независимо от него, Дж. Цвейгом в 1964 г. для объяснения существования групп частиц с близкими свойствами. С тех пор она получила многочисленные косвенные экспериментальные подтверждения (см., например, Партоны). Название «кварки» для элементарных составляющих адронов было введено Гелл-Маном.

Всем кваркам обычно приписывают барионное число В = ¹/₃, чтобы барионы имели B = 1. Для мезонов при этом получается B = 0. Тип кварков характеризуется следующими внутренними квантовыми числами: изотопическим спином ($I$) и его проекцией $I_3$, странностью ($S$), очарованием ( $C$), красотой ($b$) и истинностью ($t$), определяющими т. н. аромат кварков, и электрическим зарядом $Q$. Символы и названия известных кварков, а также значения их квантовых чисел и электрических зарядов приведены в таблице.

Характерная особенность кварков – дробный электрический заряд, кратный ¹/₃ $e$ ($e$ – заряд электрона), не встречающийся у других изученных элементарных частиц. Анализ имеющихся экспериментальных данных согласуется с этим свойством кварков.

Цвет является важной характеристикой кварков, обеспечивающей необходимую антисимметрию волновой функции адронов, построенных из одинаковых кварков, например $(q_iq_iq_i)$ (и тем самым соблюдение принципа Паули). Структуры бариона и мезона с учётом цвета более точно записываются в виде: $$\text B_{ijk}=\frac{1}{\sqrt 6} \sum^3_{\alpha,\beta,\gamma=1}\varepsilon_{\alpha \beta \gamma} q_i^\alpha q_j^\beta q_k^\gamma;\\ \text M_{ij}=\frac{1}{\sqrt3}\sum^3_{\alpha=1} q_i^\alpha \tilde q_j^\alpha \qquad {(*).}$$ Здесь $\varepsilon_{\alpha \beta \gamma}$ – полностью антисимметричный тензор, $\varepsilon_{123}=1$. Предположение о существовании у кварков особой характеристики, названной цветом, впервые было высказано в 1965 г. Н. Н. Боголюбовым, Б. В. Струминским, А. Н. Тавхелидзе и независимо – М. Ханом (США) и Й. Намбу. Оно было впоследствии подтверждено большим числом экспериментов.

Индекс $\alpha$ у кварков трактуется как индекс, нумерующий компоненты фундаментального представления группы SU(3)_c [т. н. группа цвета SU(3)], которая определяет симметрийные свойства кварков. При этом комбинации кварков, приведённые в (*), автоматически инвариантны относительно преобразований SU(3)_с, и это объясняет тот факт, что адроны не имеют цвета. Знание кваркового строения адронов (*) позволяет полностью воспроизвести все известные в систематике адронов группы этих частиц и изученные характеристики отдельных адронов.

Вся информация о кварках была получена опосредованно на основе изучения особенностей различных процессов с участием адронов в условиях, в которых ярко проявляются свойства связанных в них кварков. Попытки обнаружить кварки в свободном состоянии к успеху не привели. Более того, современные представления о кварках исходят из того, что кварки в свободном состоянии вообще не существуют. Поэтому говорить о массе кварков в обычном для элементарных частиц смысле нельзя. Тем не менее можно оценивать эффективные массы $m_q$ связанных кварков, зависящие от условий, в которых осуществляются измерения. В соответствии с этим для масс $m_q$ кварков (особенно лёгких) получаются сильно варьирующиеся значения. Можно определённо сказать, что $m_u \approx m_d \lt m_s \ll m_c \lt m_b \ll m_t$. Эти неравенства отражают иерархию масс различных семейств адронов. Значения масс кварков в статическом пределе равны: $m_u \approx m_d \approx 300$ МэВ, $m_s \approx 500$ МэВ, $m_c \approx 1,5$ ГэВ, $m_b \approx 5$ ГэВ. Такие кварки иногда называют конституентными, т. е. «составляющими». Кварк $t$ в силу очень большой массы ($m_t \approx170$ ГэВ) быстро распадается и в состав адронов не входит. С ростом квадрата переданного четырёхмерного импульса $Q^2$ эффективная масса кварков уменьшается. По этой причине значения масс т. н. токовых кварков (т. е. кварков, образующих начальное и конечное состояния токов перехода, отвечающих различным взаимодействиям и ненулевым значениям $Q^2$) заметно отличаются от приведённых выше величин и составляют: $m_u \approx 4,5$ МэВ, $m_d \approx 7$ МэВ, $m_s \approx 150$ МэВ, $m_c \approx 1,2$ ГэВ, $m_b \approx 4,5$ ГэВ, $m_t \approx 170$ ГэВ.

Связь кварков в адронах осуществляется за счёт обмена особыми безмассовыми частицами – глюонами, также являющимися носителями цвета. Глюоны являются калибровочными бозонами группы SU(3)_c. Обмен глюонами между кварками составляет основу сильных взаимодействий всех адронов (см. Квантовая хромодинамика). Отрицательный результат поисков кварков в свободном состоянии обычно интерпретируется как проявление специфической особенности взаимодействия кварков друг с другом, обусловленной обменом глюонами и приводящей к тому, что взаимодействие между ними не ослабевает с увеличением расстояния (конфайнмент, удержание цветных кварков и глюонов внутри бесцветных адронов). В этих условиях возникновение свободных кварков принципиально невозможно, т к. для этого потребовалась бы бесконечно большая энергия.

В современной физике микромира кварки выступают как предельная ступень дробления адронной материи. Они бесструктурны и по совокупности известных свойств, как и лептоны, хорошо вписываются в представление об истинно элементарных частицах. Так ли это, покажут дальнейшие исследования. Иногда обсуждаются модели, в которых кварки рассматриваются как сложные частицы, построенные из субкварков, называемых преонами (первочастицами). Эксперименты пока не дают никаких указаний на существование преонов.