Så det er disse tingene som kalles kvarker. (Jeg vet, jeg skulle ønske at de hadde et bedre navn, men jeg har ikke ansvaret for å navngi ting i fysikk.) Quarks er små teensy bittesmå partikler (vi får nøyaktig hvor små i litt) som er grunnleggende byggesteiner av saken. Så vidt vi kan si, er kvarkene ikke laget av noe mindre. Det kan endre seg i fremtiden når vi lærer mer, men det er godt nok for nå.
Det er seks slags kvarker, hver med forskjellige, men like sære navn, opp, ned, topp, bunn, rart og sjarm. Og til tross for navnet er den merkeligste av sekstørplater faktisk toppkvarken.
La oss grave dypt.
Opp-ned-verden
Langt de mest vanlige kvarkene du møter er opp og ned. Det er de som binder seg sammen i trillinger for å danne protoner (to oppover og en nedover) og nøytroner (to nedturer og en oppover). For å danne den kjente positive ladningen til protonet og den nøytrale ladningen på nøytronet, trenger kvarkene brøkladninger. Jeg vet, det høres rart ut, men det er bare fordi vi tenkte at ladningen av protoner og elektroner var grunnleggende. Det viser seg at vi tok feil. Oppkvarken har en ladning på pluss to tredjedeler, mens dunkarken sitter på minus en tredjedel.
Det som er enda mer forvirrende med kvarkene er at de er overraskende lette. Oppkvarken er bare 0,2 prosent av protonmassen, mens dens partner den ned-kvarken bare er rundt 0,5 prosent av protonmassen. Så hvordan kan disse myke partiklene legge opp til massen til et heftig proton?
Svaret er kraften som binder kvarker sammen: den sterke kjernefysiske styrken. Denne bindingen blant kvarkene er rart sterk - og beseirer naturlig den naturlige elektriske frastøtningen av de lignende ladede kvarkene. Og siden energi er det samme som masse (takk, Einstein!), Skyldes massen på proton virkelig limen, og ikke selve kvarkene.
Bor på toppen
Ikke alle kvarkene er så store. Men i partikkelfysikkens verden er store dårlige nyheter. Å være massiv er som å være helt på toppen av et høyt, mager fjell. Visst er utsikten fantastisk, men alle antydninger til en lek vil gi deg til å tumle ned til en mer stabil posisjon. Og stabilt betyr lite - hvis du er en massiv partikkel som lider av en ustabilitet, vil du raskt forvandle deg til en dusj av dine mindre kusiner.
Det betyr at livet bare er fersk for kvarkene opp og ned. De er de minste; så selv om de ikke har flott utsikt, er de ikke i fare for å falle fra en eksistensiell klippe. De neste største kvarkene, rart og sjarm, finnes sjelden i noen stor overflod i naturen. De er så enorme at de er vanskelig å lage i utgangspunktet, og så snart de er produsert av en eksotisk prosess, forfaller de raskt til noe annet og etterlater seg noe mer enn et minne.
En god stund trodde fysikere at det bare var disse fire kvarkene - opp, ned, rart og sjarm. Men på begynnelsen av 1970-tallet begynte de å mistenke noe annet ved å undersøke noen sjeldne forfall som involverer kaoner (og igjen, jeg har ikke ansvaret for å navngi ting. Kaon er en duo av en merkelig kvark og verken en opp eller en ned-kvark) . For å forklare det rare forfallet som produserte disse kaonene, måtte teoretikerne gjette på eksistensen av et nytt par kvarker, som de kalte toppen og bunnen. Disse nye kvarkene var mye, mye tyngre enn de fire andre (ellers hadde vi sett dem nå).
Da kvark nr. 5 (bunnen) meldte seg inn i klubben med kjente og målte partikler i 1977, var løpet i ferd med å finne den sjette og siste (den øverste). Men problemet var at ingen hadde noen anelse om hvor stort det var, noe som betyr at vi ikke visste hvor biffigere vi måtte lage partikkelakseleratorene våre før vi kunne slå en ut. Hvert år oppgraderte grupper rundt om i verden utstyret sitt, og hvert år kom de til kort, og presset massen til den daværende hypotetiske partikkelen stadig oppover.
Det var først i februar 1995 at forskere ved Fermilab endelig kunne påstå et funn av et toppkvark med en masse som tipper skalaen nesten 200 ganger tyngre enn et proton. Det er riktig: Mens de opp og ned kvarkene knapt gjør noe av arbeidet med å gjøre en proton til en proton, kan toppkvarken lett smelle hele atomer med letthet.
Gå inn i Higgs
Toppkvarken er omtrent 100 billion ganger tyngre enn opp-kvarken. Det er fint. Men hvorfor? Hvorfor har kvarkene et så enormt utvalg i masser?
Det er her Higgs-bosonet kommer inn. Higgs-bosonet er assosiert med et felt (Higgs-feltet, liksom det elektromagnetiske feltet) som gjennomsyrer all rom-tid, som et usynlig lim som fyller universet. Andre grunnleggende partikler, som elektroner og nøytrinoer og kvarker, må svømme gjennom dette feltet for å gå fra sted til sted. Det faktum at de grunnleggende partiklene ikke kan ignorere Higgs-feltet er (gjennom diverse og diverse matematikk) selve grunnen til at de har masse.
Ah, en anelse, da. Hvis Higgs på en eller annen måte er koblet til selve konseptet med masse, og toppkvarken er langt og bort den tyngste av kvarkene, må Higgs-bosonet og toppkvarken være beste av venner.
Og med årene ble toppkvarken en inngangsport til vår forståelse av Higgs, og det er håpet at med ytterligere studier av selve Higgs kan vi få noen perspektiver på den mystisk store massen av toppkvarken.
Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vert av Spør en Spaceman og Space Radio, og forfatter av Din plass i universet.
