کوارک‌؛ ذره‌ای با ۶ «طعم» و ۳ «رنگ» که هرگز آن را نچشیده و ندیده‌اید!

از بدن ما گرفته تا ستاره‌ها و کهکشان‌ها، همه‌چیز از ماده ساخته شده؛ اما اگر بخواهیم از این فراتر برویم و بپرسیم «ماده از چه ساخته شده است؟»، به دنیای عجیبی وارد می‌شویم: دنیای ذرات بنیادی. در قلب این جهان پنهان، کوارک‌ها قرار دارند؛ ذراتی که بخش مهمی از تمام مواد معمولی را شکل می‌دهند.

ساخته‌شده با هوش مصنوعی

کوارک‌ها اجزای سازنده‌ی پروتون‌ها و نوترون‌ها هستند و بدون آن‌ها، هیچ اتمی شکل نمی‌گرفت. این ذرات به‌ظاهر ساده، ۶ نوع دارند، اما همین ۶ نوع، پایه‌گذار کل ساختار پیچیده‌ی کیهان هستند. کوارک‌ها ویژگی‌های شگفت‌انگیزی دارند که آن‌ها را از سایر ذرات متمایز می‌کند.

در این مطلب، با نگاهی دقیق، به سراغ کوارک‌ها می‌رویم: از معرفی انواع آن‌ها تا نقششان در ساختار ماده و ویژگی‌هایی که فیزیکدانان را دهه‌ها درگیر خود کرده‌اند. اگر تا به حال فکر کرده‌اید که جهان در لایه‌های عمیق‌ترش از چه ساخته شده است، این مقاله پاسخ‌های جالبی برای شما خواهد داشت.

کوارک‌ها یکی از بنیادی‌ترین ذرات شناخته‌شده در فیزیک به‌شمار می‌روند. این ذرات، کوچک‌ترین اجزای ماده به‌شمار می‌روند و تاکنون هیچ ساختار درونی‌ای برای آن‌ها شناسایی نشده است.

کوارک‌ها در قلب مدل استاندارد قرار دارند و نقش حیاتی در شکل‌گیری اجسامی مانند پروتون‌ها و نوترون‌ها ایفا می‌کنند؛ به‌عبارت ساده‌تر، از کوچک‌ترین ساختارهای زیراتمی تا بزرگ‌ترین ستاره‌ها و کهکشان‌ها، همگی به‌نوعی به حضور کوارک‌ها وابسته‌اند. کوارک‌ها به این دلیل بنیادی تلقی می‌شوند که تاکنون هیچ شواهدی از وجود ساختار درونی در آن‌ها یافت نشده است و به‌عنوان بلوک‌های اصلی سازنده‌ی ماده در مدل استاندارد شناخته می‌شوند.

یکی از ویژگی‌های جالب کوارک‌ها، تفاوت چشمگیر آن‌ها از نظر جرم است. در میان ۶ نوع کوارک، کوارک‌های بالا و پایین، کمترین جرم را دارند. تولید این ذرات، به انرژی بسیار کمی نیاز دارد و ازآنجاکه پایداری بالایی دارند، در ساختار تمام مواد معمولی حضور دارند. در واقع، همین دو نوع کوارک هستند که با کنار هم قرار گرفتن در گروه‌های سه‌تایی، پروتون‌ها و نوترون‌ها را می‌سازند.

در مرتبه‌ی بعد، کوارک‌های افسون و شگفت قرار می‌گیرند که چندین برابر سنگین‌تر از کوارک‌های بالا و پایین و در طبیعت بسیار نادر هستند و به‌طور معمول در شرایط عادی دیده نمی‌شوند. آن‌ها بیشتر در واکنش‌های پرانرژی، مانند برخوردهای پرشتاب ذرات یا در محیط‌های کنترل‌شده‌ی آزمایشگاه‌های فیزیک ذرات، تولید و بررسی می‌شوند.

در نهایت، به سنگین‌ترین اعضای خانواده‌ی کوارک‌ها می‌رسیم: کوارک‌های ته و سر. کوارکِ سر به‌قدری سنگین است که جرم آن بیش از ۷۵٬۰۰۰ برابر کوارک بالا تخمین زده می‌شود. این جرم بسیار زیاد باعث می‌شود که کوارک‌های سر و ته، پایداری بسیار کمی داشته باشند و تنها در مدت‌زمانی بسیار کوتاه، آن هم در شرایط خاص آزمایشگاهی، تولید شوند. این ناپایداری به این دلیل است که کوارک‌های سنگین‌تر، مانند سر و ته، به‌سرعت واپاشی می‌کنند و به ذرات سبک‌تر تبدیل می‌شوند، به‌همین‌دلیل تنها در شتاب‌دهنده‌ها قابل‌ مشاهده هستند.

به‌دلیل همین ویژگی، کوارک‌های ته و سر را نمی‌توان در طبیعت مشاهده کرد و دانشمندان آن‌ها را اغلب در شتاب‌دهنده‌های ذرات بررسی می‌کنند. این اختلاف چشمگیر در جرم، نه‌تنها در رفتار کوارک‌ها و نحوه‌ی واپاشی آن‌ها تأثیر می‌گذارد، بلکه سرنخ‌های مهمی درباره‌ی سازوکارهای عمیق‌تر طبیعت در اختیار فیزیکدانان قرار می‌دهد.

یکی دیگر از ویژگی‌های جالب و منحصربه‌فرد کوارک‌ها، بار الکتریکی جزئی آن‌ها است. برخلاف دیگر ذرات بنیادی که یا بدون بار هستند (مثل نوترینو)، یا یک واحد بار کامل مثبت یا منفی دارند (مثل الکترون با بار منفی یا پوزیترون با بار مثبت)، کوارک‌ها بار الکتریکی کسری دارند؛ یعنی مقدار بار آن‌ها، فقط بخشی از یک واحد کامل است. این ویژگی، کوارک‌ها را از تمام ذرات بنیادی دیگر متمایز می‌کند.

به‌عنوان مثال، کوارک‌های بالا، افسون و سر هر کدام دارای بار مثبت دوسوم (2/3+) هستند، درحالی‌که کوارک‌های پایین، شگفت و ته، بار منفی یک‌سوم (1/3-) دارند. اما نکته‌ی مهم آن است که کوارک‌ها هیچ‌گاه به‌صورت جداگانه در طبیعت دیده نمی‌شوند.

آن‌ها همیشه در ترکیب‌هایی ظاهر می‌شوند که حاصل مجموع بارشان یک عدد صحیح شود. به‌عنوان نمونه، پروتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین تشکیل شده است. اگر بارهای این سه کوارک را با هم جمع کنیم، به عدد ۱+ می‌رسیم، یعنی همان بار مثبت پروتون. یا نوترون، که از دو کوارک پایین و یک کوارک بالا ساخته شده است، در مجموع باری برابر با صفر دارد:

در جهان، برای هر ذره‌ی بنیادی یک همتای پادذره (Anti-particle) هم وجود دارد. این پادذرات جرم یکسانی با ذره‌ی اصلی دارند، اما بار الکتریکی‌شان قرینه است. به‌عنوان مثال، اگر ذره‌ای بار مثبت داشته باشد، پادذره‌ی آن بار منفی دارد. کوارک‌ها نیز از این قاعده مستثنی نیستند. برای هر یک از ۶ نوع کوارک، یک پادکوارک متناظر با بارالکتریکی قرینه وجود دارد.

در طبیعت، کوارک‌ها و پادکوارک‌ها گاهی به‌صورت جفت ظاهر می‌شوند و ساختارهایی تشکیل می‌دهند که بار الکتریکی کل آن‌ها صفر است. این ترکیب‌ها در فیزیک ذرات نقش مهمی دارند و به ما کمک می‌کنند پدیده‌هایی مثل پادماده را بهتر درک کنیم.

یکی از شگفت‌انگیزترین و درعین‌حال متفاوت‌ترین ویژگی‌های کوارک‌ها، «بار رنگی» آن‌ها است. این واژه شاید در نگاه اول تداعی‌کننده‌ی رنگ‌هایی باشد که با چشم می‌بینیم، اما در دنیای فیزیک مفهومی کاملاً انتزاعی دارد. فیزیکدان‌ها فقط برای نام‌گذاری سه نوع از این بارها، از اصطلاحات آشنایی مثل «قرمز»، «سبز» و «آبی» استفاده کرده‌اند؛ صرفاً به‌عنوان برچسب، نه چیزی بیشتر. این فرایند شبیه ترکیب رنگ‌های اصلی نقاشی است که با کنار هم قرار گرفتن، رنگ سفید (خنثی) را ایجاد می‌کنند.

همین موضوع درباره‌ی جفت‌های کوارک و پادکوارک نیز صدق می‌کند. اگر یک کوارک قرمز با یک پادکوارک پادقرمز ترکیب شود، نتیجه باز هم حالتی با بار سفید (حالت متعادل) خواهد بود. طبیعت همیشه به این اصل پایبند است: کوارک‌ها فقط در ترکیب‌هایی وجود دارند که بار رنگی کل آن‌ها سفید است.

به‌عنوان مثال، پروتون یا نوترون از سه کوارک با رنگ‌های متفاوت قرمز، سبز و آبی تشکیل شده‌اند تا مجموع آن‌ها خنثی شود. شاید این سؤال پیش بیاید که مثلاً در پروتون، دو کوارک بالا و یک کوارک پایین وجود دارند، پس چطور رنگ آن‌ها همیشه قرمز، سبز و آبی می‌شود؟ پاسخ آن است که رنگ کوارک‌ها، مستقل از نوع آن‌ها انتخاب می‌شود. به‌عبارت دیگر، یک کوارک بالا می‌تواند قرمز باشد و کوارک دیگر بالا می‌تواند سبز یا آبی باشد. ترکیب رنگ به‌گونه‌ای انجام می‌شود که همیشه سه رنگ اصلی کامل شوند تا ساختار نهایی از نظر رنگی متعادل یا سفید باشد.

برخلاف بار الکتریکی که همیشه ثابت باقی می‌ماند، بار رنگی کوارک‌ها می‌تواند در طول زمان تغییر کند. تصور کنید یک کوارک با بار رنگی قرمز داریم. به‌دلیل پدیده‌های کوانتومی، این احتمال وجود دارد که ناگهان رنگش عوض و مثلاً به رنگ آبی تبدیل شود. در این جابه‌جایی رنگی چه بلایی سر بار قرمز اولیه می‌آید؟ اینجا است که پای ذره‌ای به‌نام گلوئون (gluon) به میان می‌آید. زمانی که کوارک از قرمز به آبی تغییر رنگ می‌دهد، بار رنگی قرمز از کوارک جدا و در قالب یک گلوئون مستقل از آن خارج می‌شود.

این گلوئون، همزمان دو بار رنگی با خود دارد: یکی قرمز برای جبران باری که کوارک از دست داده و دیگری پادآبی برای خنثی‌سازی باری که کوارک تازه به دست آورده است.

به‌طور کلی، همه‌ی گلوئون‌ها همیشه ترکیبی از یک بار رنگی و یک پادبار رنگی را حمل می‌کنند. به‌عنوان مثال، ممکن است یک گلئون بار سبز و پادقرمز یا قرمز و پادآبی داشته باشد. حال تصور کنید در نزدیکی این کوارک، کوارک دیگری با بار رنگی آبی وجود دارد. اگر این کوارک، گلوئون قرمز–پادآبی را جذب کند، بار آبی خود را از دست می‌دهد و بار قرمز دریافت می‌کند. در ظاهر، انگار دو کوارک رنگ‌هایشان را با هم عوض کرده‌اند. این تبادل گلوئون‌ها، به‌طور مداوم درون پروتون‌ها و نوترون‌ها رخ می‌دهد و باعث می‌شود کوارک‌ها همواره در حال تغییر رنگ باشند.

جابه‌جایی مداوم رنگ میان کوارک‌ها نه‌تنها نشانه‌ای از پویایی نظریه‌ی کرومودینامیک کوانتومی است، بلکه نقشی کلیدی در کنار هم نگه‌داشتن کوارک‌ها ایفا می‌کند. در دنیای کوارک‌ها، همه‌چیز در حرکت است. کوارک‌ها مدام در حال تبادل گلوئون‌ هستند و با این تبادل، رنگشان را تغییر می‌دهند.

این رفت‌و‌آمد پیوسته‌ی گلوئون‌ها باعث می‌شود کوارک‌ها به‌نوعی به‌هم وصل بمانند، انگار که با یک کش نامرئی به هم بسته شده باشند. هرچه بخواهیم آن‌ها را از هم دور کنیم، این کش محکم‌تر می‌شود و نیروی بیشتری وارد می‌کند. حال فرض کنید بخواهیم یکی از این کوارک‌ها را از بقیه جدا کنیم. برخلاف تصور، با افزایش فاصله، نیروی بین آن‌ها ضعیف نمی‌شود، بلکه حتی قوی‌تر می‌شود. این رفتار مانند کش لاستیکی است که هرچه بیشتر کشیده شود، به نیروی بیشتری برای نگه داشتن آن نیاز داریم.

این رفتار غیرمنتظره، همان نیروی هسته‌ای قوی یا برهم‌کنش قوی، یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت و ضامن انسجام پروتون‌ها، نوترون‌ها و در نهایت، ساختار پایدار ماده در جهان است. اکنون اگر نیروی کافی وارد کنیم، ممکن است در نهایت موفق شویم کوارک را از دل پروتون بیرون بکشیم؛ اما درست در همان لحظه، انرژی عظیمی که در پیوند بین کوارک‌ها ذخیره شده بود، آزاد می‌شود. این انرژی آزادشده بلافاصله تبدیل به یک جفت ذره‌ی جدید می‌شود: یک کوارک و یک پادکوارک. در نتیجه، اگرچه کوارک اول از پروتون جدا شده، اما حالا تنها نیست و با یک پادکوارک جدید جفت شده است.

این پدیده‌ی شگفت‌انگیز را حبس رنگ (Color Confinement) می‌نامند. طبق این اصل، کوارک‌ها هرگز به‌صورت مستقل وجود ندارند و طبیعت همواره آن‌ها را در ترکیب‌هایی با بار رنگی خنثی نگه می‌دارد. همین قانون است که باعث می‌شود پروتون‌ها و نوترون‌ها پایدار بمانند و هسته‌ی اتم‌ها از هم نپاشد.

پیدایش مفهوم کوارک‌ها، برخلاف تصور رایجی که از کشفیات علمی داریم، نه یک لحظه‌ی ناگهانی و درخشان بود، نه حاصل شهود ناگهانی یک نابغه. بلکه نتیجه‌ی سال‌ها تلاش پیگیر، آزمایش‌های دقیق و همکاری جمعی دانشمندان بود. در سال ۱۹۶۴، دو فیزیکدان به نام‌های ماری گل-من و جرج زویگ، دو فیزیکدان آمریکایی، که هر دو در مؤسسه‌ی فناوری کالیفرنیا (CalTech) فعالیت می‌کردند، به‌طور مستقل به این نتیجه رسیدند که ذراتی کوچک‌تر از پروتون و نوترون باید وجود داشته باشند، ذراتی که بعدها به نام کوارک شناخته شدند.

در دهه‌ی ۱۹۵۰، فیزیکدانان موفق شده بودند فهرستی بلندبالا از ذرات زیراتمی کشف‌شده تهیه کنند؛ کاری شبیه به طبقه‌بندی گیاهان در زیست‌شناسی. اما در این میان، جای نظریه‌ای منسجم که بتواند پشتوانه‌ای مفهومی برای این ذرات فراهم کند، خالی بود.

یکی از چالش‌برانگیزترین مسائل آن زمان، وجود ذراتی به نام هیپرون‌ها بود؛ ذراتی ناپایدار که خیلی سریع واپاشی می‌کردند، اما برخلاف پیش‌بینی‌ها، مسیر واپاشی آن‌ها غیرعادی به‌نظر می‌رسید. گل‌-من با بررسی دقیق الگوهای واپاشی آن‌ها متوجه شد که باید پای یک ویژگی کوانتومی ناشناخته در میان باشد. او این ویژگی را به‌دلیل رفتار غیرمنتظره‌اش، شگفتی (strangeness) نامید.

نکته‌ی جالب‌تر آن است که هر ذره می‌تواند ترکیب خاصی از این عددها را داشته باشد و همین ترکیب‌ها باعث می‌شوند ذرات در الگوهای مشخصی مرتب شوند؛ مثل مجموعه‌ای از قطعات پازل که با نظم خاصی کنار هم چیده شده‌اند. فیزیکدان‌ها به این الگوهای منظم، چندتایی‌ها (Multiplet) می‌گویند. در دهه‌ی ۱۹۶۰، موری گل‌-من و جرج زویگ هنگام بررسی این الگوهای چندتایی به ایده‌ای انقلابی رسیدند: شاید تمامی این ذرات متنوع، از ترکیب چند ذره‌ی بنیادی‌تر و مشترک ساخته شده باشند، ذراتی که امروز آن‌ها را با نام کوارک می‌شناسیم.

مهدیه یوسفی

فیزیک کوانتوم به زبان ساده؛ جهانی در هاله‌ احتمال

مطالعه '30

زویگ ابتدا نام آس (Ace) را برای کوارک‌‌های کوچک پیشنهاد داد، اما این اسم چندان مورد توجه جامعه‌ی علمی قرار نگرفت. در مقابل، گل‌-من با نگاهی خلاقانه‌تر واژه‌ی کوارک را انتخاب کرد؛ واژه‌ای که از جمله‌ای در رمانِ شاعرانه‌ی بیداری فینیگان اثر جیمز آگوستین آلویسیوس جویس، نویسنده‌ی ایرلندی، الهام گرفته شده بود: Three quarks for Muster Mark. در داستان، این عبارت به سه فرزند یک شخصیت اشاره دارد. گل‌-من این نام را به این دلیل برگزید که پروتون‌ها نیز از سه کوارک تشکیل می‌شوند و این تشابه برایش معنا داشت.

از آن زمان، کوارک‌ها نه‌فقط به‌عنوان اجزای سازنده‌ی ذرات مرکب، بلکه به‌عنوان یکی از مفاهیم کلیدی در نظریه‌ی استاندارد فیزیک ذرات شناخته شدند. کوارک‌های بالا، پایین و شگفت، سه کوارک اولیه‌ای بودند که معرفی شدند. نام‌گذاری بالا و پایین بیشتر ماهیتی قراردادی داشت، اما نام شگفت براساس ویژگی کوانتومی شگفت انتخاب شد؛ چرا که عدد شگفتی این کوارک ۱- بود.

همان‌طور که پیش‌تر گفتیم، نیروی هسته‌ای قوی با واسطه‌ی گلوئون‌ها، کوارک‌ها را درون ذرات مرکبی مانند پروتون و نوترون کنار هم نگه می‌دارد. این نیرو آنقدر قدرتمند است که جدا کردن حتی یکی از کوارک‌ها از دل یک هادرون، به انرژی خارق‌العاده‌ای نیاز دارد و همین قدرت بی‌نظیر است که نام نیروی قوی را برایش توجیه می‌کند.

در تاریخ کیهان، چنین انرژی عظیمی تنها در لحظات بسیار ابتدایی پس از بیگ‌بنگ وجود داشت؛ زمانی حدود ده میلیاردم تا یک میلیونیم ثانیه پس از آغاز جهان که دمای کیهان به حدود ۲ تریلیون درجه‌ی سلسیوس می‌رسید. در چنین شرایطی، کیهان از ماده‌ای بسیار ویژه پر شده بود: پلاسمای کوارک–گلوئون. این حالت، شبیه به سوپی از کوارک‌ها و گلوئون‌های آزاد بود که هنوز به ذرات بزرگ‌تر متصل نشده بودند.

با انبساط سریع جهان، دما و فشار کاهش یافت و کوارک‌ها دیگر نتوانستند آزاد بمانند. آن‌ها به‌تدریج با هم ترکیب شدند و ذراتی مثل پروتون و نوترون را به‌وجود آوردند. اگرچه پلاسمای کوارک–گلوئون فقط در چند لحظه‌ی ابتدایی بعد از بیگ‌بنگ (۱۳٫۸ میلیارد سال پیش) در جهان وجود داشت، اما دانشمندان توانسته‌اند این حالت خاص از ماده را در آزمایشگاه بازسازی کنند. آن‌ها با برخورد دادن هسته‌های سنگین مثل سرب به یکدیگر با سرعتی نزدیک به سرعت نور، توانسته‌اند شرایطی شبیه به همان دوران اولیه‌ی کیهان بسازند.

مطالعه‌ی این پلاسما در شتاب‌دهنده‌ها، به فیزیکدانان کمک می‌کند تا بهتر بفهمند جهان در اولین لحظات پس از بیگ‌بنگ چه ویژگی‌هایی داشته و ماده چگونه به شکل امروزی‌اش رسیده است.

تصور کنید به جایی در عالم برسید که فشار و دما آنقدر شدید است که خودِ نوترون‌ها هم دیگر تاب نمی‌آورند و از هم فرو می‌پاشند. نتیجه چه خواهد بود؟ جرمی عجیب و مرموز به‌نام ستاره‌ی کوارکی.

ستاره‌ی کوارکی، اگر واقعاً وجود داشته باشد، یک پله آن‌سوتر از ستاره‌ی نوترونی است؛ جایی که ماده نه از نوترون، بلکه از کوارک‌های آزادشده تشکیل شده است. ستاره‌های نوترونی از دل انفجارهای سهمگین ابرنواختری به‌وجود می‌آیند؛ وقتی یک ستاره‌ی پرجرم عمرش به پایان می‌رسد و هسته‌ی آن زیر فشار گرانش در هم می‌شکند.

در این فرایند، پروتون‌ها و الکترون‌ها با هم ترکیب می‌شوند و نوترون‌هایی بی‌بار به‌وجود می‌آورند. حاصل، جرمی بسیار فشرده با قطری حدود چند کیلومتر است، اما چگالی‌اش آنقدر بالا است که یک قاشق از آن می‌تواند به‌اندازه‌ی یک کوه وزن داشته باشد. اما اگر فشار از این هم فراتر برود، نوترون‌ها دیگر نمی‌توانند کوارک‌ها را درونشان نگه دارند.

در این شرایط، ماده به حالتی عجیب و ناشناخته تبدیل می‌شود که در آن کوارک‌ها آزادانه شناور هستند. این حالت، تنها ممکن است در دل ستاره‌های کوارکی به‌وجود آید؛ البته شاید هم هسته‌ی بعضی از ستاره‌های در حال مرگ حتی بیشتر از ستاره‌های نوترونی فشرده شوند. در چنین شرایطی، فشار آنقدر بالا می‌رود که نوترون‌ها دیگر نمی‌توانند ساختار خود را حفظ کنند و فرو می‌پاشند. نتیجه؟ کوارک‌ها که تا آن لحظه درون نوترون‌ها محبوس بودند، آزاد می‌شوند و ستاره‌ی کوارکی متولد می‌شود.

سارا ارجمند

ستاره نوترونی چیست؟ هرآنچه باید درباره سنگین‌ترین ستارگان جهان بدانید

مطالعه '9

بااین‌حال، ستاره‌های کوارکی هنوز در حد فرضیه باقی مانده‌اند. تاکنون هیچ ستاره‌ای به‌طور قطعی به‌عنوان ستاره‌ی کوارکی شناسایی نشده است، اما اخترشناسان چند مورد مشکوک را زیر نظر دارند؛ اجرامی که در مقایسه با ستاره‌های نوترونی معمولی، قطر کمتر و جرم بیشتری دارند. این تفاوت‌ها شاید نشانه‌ای از وجود چنین ستاره‌ی عجیبی باشند، اگرچه هنوز نمی‌توان با اطمینان آن را تأیید کرد.

یکی از نامزدهای احتمالی برای ستاره‌ی کوارکی، جرمی است که نه از دل یک ابرنواختر، بلکه از برخورد دو ستاره‌ی نوترونی به‌وجود آمده؛ رویدادی کیهانی که در سال ۲۰۱۹ به‌شکل موج گرانشی با نام GW190425 توسط رصدخانه‌های LIGO و Virgo در زمین شناسایی شد. جرم این جسم ترکیبی چیزی بین ۳٫۱۱ تا ۳٫۵۴ برابر جرم خورشید تخمین زده شده؛ عددی که برای یک ستاره‌ی نوترونی بیش از حد زیاد و برای یک سیاه‌چاله بیش از حد کم است. پس اگر نه ستاره‌ی نوترونی است و نه سیاه‌چاله، آیا ممکن است با یک ستاره‌ی کوارکی طرف باشیم؟

پیام هدایتی

مهندسی بی‌نهایت: لایگو؛ رصدخانه‌ تداخل‌سنج لیزری امواج گرانشی

مطالعه '31

یک احتمال دیگر هم وجود دارد: شاید بعضی از ستاره‌های نوترونی، ساختاری ترکیبی داشته باشند، لایه‌های بیرونی‌شان از ماده‌ی نوترونی معمولی تشکیل شده باشد، اما در اعماق هسته‌شان، ماده‌ای ناشناخته و عجیب به‌نام ماده‌ی کوارکی وجود داشته باشد. اینگونه اجرام ترکیبی ممکن است پلی میان دنیای شناخته‌شده‌ی نوترون‌ها و قلمرو مرموز کوارک‌ها باشند.

در دنیای فیزیک ذرات، کوارک‌‌ها یکی از اسرارآمیزترین و در عین‌حال بنیادی‌ترین بازیگران هستند. این ذرات کوچک که خود در دل پروتون‌ها و نوترون‌ها جا گرفته‌اند، بنیان جهان مادی ما را شکل می‌دهند. از ویژگی‌های عجیبی مثل بار الکتریکی کسری و بار رنگی تا رفتارهای غیرمنتظره‌شان در برابر نیروی هسته‌ای قوی، هر کدام از این خصوصیات، پنجره‌ای تازه به درک ما از ساختار جهان گشوده‌اند.

اگرچه کوارک‌ها هرگز به‌صورت مستقل در طبیعت دیده نمی‌شوند، نظریه‌ی کرومودینامیک کوانتومی توانسته است سازوکار برهم‌کنش آن‌ها را با دقتی چشمگیر توضیح دهد. نیروهایی که با گلوئون‌ها منتقل می‌شوند، کوارک‌ها را مثل کِشی نامرئی کنار هم نگه می‌دارند و همین برهم‌کنش‌ها پایداری هسته‌های اتم را تضمین می‌کند. از سوی دیگر، فرضیه‌هایی مثل وجود ستاره‌های کوارکی، نشان می‌دهد که دانش ما از این ذرات هنوز در ابتدای راه است.

شناخت کوارک‌ها، تنها شناخت ذرات ریز و پنهان نیست؛ بلکه شناخت بنیان‌های ماده، نیرو و شاید حتی شکل‌گیری جهان است.