Są więc te rzeczy zwane kwarkami. (Wiem, chciałbym, żeby miały lepszą nazwę, ale nie jestem odpowiedzialny za nadawanie nazw rzeczom w fizyce.) Kwarki to małe teensy małe cząsteczki (dojdziemy dokładnie do tego, jak małe za chwilę), które są podstawowymi elementami budulcowymi materii. O ile nam wiadomo, same kwarki nie są zbudowane z niczego mniejszego. Może się to zmienić w przyszłości, gdy będziemy się uczyć więcej, ale na razie jest wystarczająco dobre.
Istnieje sześć rodzajów kwarków, każde o różnych, ale równie dziwacznych nazwach: góra, dół, góra, dół, dziwne i urocze. I pomimo swojej nazwy, najdziwniejszym z sekstetów jest w rzeczywistości najwyższy kwark.
Kopnijmy głęboko.
Świat do góry nogami
Zdecydowanie najczęściej spotykanymi kwarkami są w górę iw dół. Są to te, które łączą się w trojaczki, tworząc protony (dwa wzloty i upadek) i neutrony (dwa spadki i wzrost). Aby utworzyć znajomy ładunek dodatni protonu i ładunek neutralny na neutronie, kwarki potrzebują ładunków ułamkowych. Wiem, to brzmi dziwnie, ale to tylko dlatego, że my myśl że ładunek protonów i elektronów był fundamentalny. Okazuje się, że się myliliśmy. Kwark górny ma ładunek plus dwie trzecie, podczas gdy kwark dolny siedzi na minus jednej trzeciej.
Jeszcze bardziej mylące jest to, że kwarki są zaskakująco lekkie. Kwark górny stanowi zaledwie 0,2 procent masy protonu, podczas gdy jego partner kwark dolny stanowi zaledwie około 0,5 procent masy protonu. Jak więc te marne cząstki mogą się sumować do masy mocnego protonu?
Odpowiedzią jest siła, która wiąże kwarki razem: silna siła nuklearna. Wiązanie między kwarkami jest rażąco silne - skutecznie pokonuje naturalne odpychanie elektryczne podobnie naładowanych kwarków. A ponieważ energia jest tym samym co masa (dzięki, Einstein!), Masa protonu jest tak naprawdę spowodowana klejem, a nie samymi kwarkami.
Życie na szczycie
Nie wszystkie kwarki są tak duże. Ale w świecie fizyki cząstek wielka jest zła wiadomość. Bycie masywnym jest jak bycie na szczycie wysokiej, chudej góry. Jasne, widoki są świetne, ale każda nuta wiatru sprawi, że upadniesz do stabilniejszej pozycji. A stabilny oznacza mały - jeśli jesteś masywną cząsteczką cierpiącą na niestabilność, szybko przekształcasz się w prysznic twoich mniejszych kuzynów.
Oznacza to, że życie jest tylko brzoskwiniowe dla kwarków rosnących i opadających. Są najmniejsze; więc chociaż nie mają wspaniałych widoków, nie grozi im wypadnięcie z egzystencjalnego klifu. Kolejne największe kwarki, dziwne i pełne uroku, rzadko występują w obfitości w przyrodzie. Są tak masywne, że ciężko je wykonać, a gdy tylko zostaną wyprodukowane w jakimś egzotycznym procesie, szybko rozpadają się na coś innego, pozostawiając po sobie tylko wspomnienie.
Przez długi czas fizycy sądzili, że są tylko te cztery kwarki - góra, dół, dziwność i urok. Ale na początku lat siedemdziesiątych zaczęli podejrzewać inaczej, badając niektóre rzadkie rozpady z udziałem kaonów (i znowu nie jestem odpowiedzialny za nadawanie nazw. Kaon to duet dziwnego kwarka i kwarku w górę lub w dół) . Aby wyjaśnić dziwny rozkład, który spowodował powstanie tych kaonów, teoretycy musieli zgadywać, że istnieje nowa para kwarków, którą nazwali górą i dołem. Te nowe kwarki były znacznie, znacznie cięższe niż pozostałe cztery (inaczej byśmy je do tej pory widzieli).
Gdy kwark nr 5 (na dole) dołączył do klubu znanych i mierzonych cząstek w 1977 r., Wyścig rozpoczął się od znalezienia szóstej i ostatniej (górnej). Problem polegał jednak na tym, że nikt nie miał pojęcia, jak duży jest, co oznacza, że nie wiedzieliśmy, jak potężniejsze musieliśmy zrobić nasze akceleratory cząstek, zanim zdołaliśmy je wyrzucić. Każdego roku grupy na całym świecie unowocześniały swój sprzęt, a każdego roku pojawiały się na krótko, podnosząc masę hipotetycznej cząsteczki coraz wyżej.
Dopiero w lutym 1995 r. Badacze z Fermilab mogli wreszcie zgłosić roszczenie do odkrycia górnego kwarka o masie przechylającej łuski prawie 200 razy cięższej niż proton. Zgadza się: podczas gdy kwarki w górę i w dół ledwo wykonują jakąkolwiek czynność przekształcania protonu w proton, górny kwark może z łatwością uderzyć w całe ciało z łatwością.
Wejdź do Higgsa
Kwark górny jest około 100 trylionów razy cięższy niż kwark górny. To miłe. Ale dlaczego? Dlaczego kwarki mają tak ogromny zasięg w masach?
W tym miejscu pojawia się bozon Higgsa. Bozon Higgsa jest związany z polem (pole Higgsa, coś w rodzaju pola elektromagnetycznego), które przenika całą czasoprzestrzeń, jak niewidzialny klej wypełniający wszechświat. Inne podstawowe cząstki, takie jak elektrony, neutrina i kwarki, muszą przepływać przez to pole, aby przejść z miejsca na miejsce. Sam fakt, że cząstki fundamentalne nie mogą zignorować pola Higgsa, jest (poprzez różnorodną i różnorodną matematykę) właśnie powodem, dla którego mają one masę.
Ach, więc wskazówka. Jeśli Higgs jest w jakiś sposób związany z samą koncepcją masy, a górny kwark jest daleko najcięższym z kwarków, to bozon Higgsa i górny kwark muszą być Najlepsza przyjaciół.
I tak przez lata najwyższy kwark stał się bramą do naszego zrozumienia Higgsa i mamy nadzieję, że dzięki dalszym badaniom samego Higgsa możemy uzyskać pewne perspektywy na tajemniczo dużą masę górnego kwarku.
Paul M. Sutter jest astrofizykiem Ohio State University, gospodarzem Zapytaj kosmonautę i Radio kosmicznei autor Twoje miejsce we wszechświecie.
