Joten on näitä asioita, joita kutsutaan kvarkeiksi. (Tiedän, toivon, että heillä olisi parempi nimi, mutta en ole vastuussa asioiden nimeämisestä fysiikassa.) Kvarkit ovat pieniä teini-ikäisiä pieniä hiukkasia (päästämme täsmälleen kuinka pieninä vähän), jotka ovat perusta aineesta. Sikäli kuin voimme kertoa, kvarkit eivät ole tehty pienemmistä. Se voi muuttua tulevaisuudessa, kun saamme lisätietoja, mutta se on riittävän hyvä nyt.
Kvarkeja on kuusi tyyppiä, jokaisella on erilaiset, mutta yhtä omituiset nimet: ylös, alas, ylhäältä, alhaalta, omituiselta ja viehättävältä. Ja nimestään huolimatta, kummallisin kappaleista on oikeastaan kvarkki.
Kaivataan syvälle.
Ylösalaisin oleva maailma
Ylivoimaisesti yleisimmät kvarkit, joita kohtaat, ovat ylös ja alas. Ne niputtavat toisiinsa kolmioina protonien (kaksi ylä-ja ala-arvoa) ja neutronien (kahden ala-arvon ja ylöspäin) muodostamiseksi. Protonin ja neutronin varauksen tutun positiivisen varauksen muodostamiseksi kvarkit tarvitsevat murtovarauksia. Tiedän, että kuulostaa oudolta, mutta se johtuu vain siitä, että me ajatus että protonien ja elektronien varaus oli perustavanlaatuista. Osoittautui, olimme väärässä. Ylämäisen kvarkin varaus on plus kaksi kolmasosaa, kun taas alaspäin kvarkin istuu miinus kolmasosa.
Kvarkeissa on vielä hämmentävämpää, että ne ovat yllättävän kevyitä. Ylämäinen kvarkki on vain 0,2 prosenttia protonin massasta, kun taas sen kumppani alakammio on vain noin 0,5 prosenttia protonimassasta. Joten miten nämä tuhkarokkoiset hiukkaset voivat lisätä mojovan protonin massaan?
Vastaus on kvarkeja sitova voima: voimakas ydinvoima. Tämä sitoutuminen kvarkkien keskuudessa on räikeästi vahva - voittaa helposti vastaavasti varautuneiden kvarkkien luonnollisen sähköisen vasteen. Ja koska energia on sama asia kuin massa (kiitos, Einstein!), Protonin massa johtuu todellakin liimasta eikä itse kvarkeista.
Asuminen päällä
Kaikki kvarkit eivät ole niin suuria. Mutta hiukkasfysiikan maailmassa iso on huono uutinen. Massiivisuus on kuin olisit korkean, laihan vuoren huipulla. Toki, näkymät ovat upeat, mutta kaikki tuulet viittaavat siihen, että kompastat vakaampaan asemaan. Ja vakaa tarkoittaa pientä - jos olet massiivinen hiukkas, joka kärsii epävakaudesta, huomaat nopeasti muuttuvasi pienten serkkusi suihkuksi.
Tämä tarkoittaa, että elämä on vain peachy ylös ja alas kvarkeja. He ovat pienimmät; joten vaikka heillä ei ole upeita näkymiä, heillä ei ole vaaraa putoaa eksistentiaalisesta kalliosta. Seuraavaksi suurimpia, omituisia ja viehättäviä kvarkkeja löytyy harvoin luonnostaan runsaasti. Ne ovat niin massiivisia, että heistä on vaikea tehdä ensinnäkin, ja heti, kun ne on valmistettu jollakin eksoottisella prosessilla, ne hajoavat nopeasti joku muu jättäen jälkeensä muuta kuin muistin.
Fyysikot ajattelivat jo jonkin aikaa, että vain näitä neljää kvarkkia oli - ylös, alas, outoja ja viehättäviä. Mutta 1970-luvun alkupuolella he alkoivat epäillä toisin tutkimalla joitain harvinaisia kaoneihin liittyviä rappeutumisia (ja jälleen kerran, en ole vastuussa asioiden nimeämisestä. Kaon on omituisen kvarkin ja joko ylös tai alas kvarkin duo) . Selittääkseen näitä kaoneja tuottavan omituisen rappeutumisen, teoreetikkojen täytyi arvata uuden kvarkkiparin olemassaolosta, jonka he kutsuivat ylä- ja alaosaksi. Nämä uudet kvarkit olivat paljon, paljon raskaampia kuin muut neljä (muuten olisimme nähneet heidät jo nyt).
Kun kvarki nro 5 (alaosa) liittyi tunnettujen ja mitattujen hiukkasten kerhoon vuonna 1977, kilpailu oli löytää kuudes ja viimeinen (yläosa). Mutta ongelmana oli, että kukaan ei tiennyt, kuinka suuri se oli, mikä tarkoitti, että emme tienneet kuinka lihavampaa meidän oli tehtävä hiukkaskiihdyttimistä ennen kuin voimme poppyä. Joka vuosi ryhmät ympäri maailmaa päivittivät varusteitaan, ja joka vuosi he tulivat lyhyiksi, työntäen silloin hypoteettisen hiukkasen massaa aina ylöspäin.
Vasta helmikuussa 1995 Fermilabin tutkijat saattoivat vihdoin vedota ylimmän kvarkin löytämiseen, jonka massa asettamalla vaa'at lähes 200 kertaa raskaammaksi kuin protoni. Se on totta: Vaikka ylös- ja alaspäin kvarkit tekevät tuskin mitään protonin protoniksi tekemiseen liittyvistä töistä, ylempi kvarkki voi helposti kehon läpi surkea kokonaisia atomeja.
Kirjoita Higgs
Yläkvarkki on noin 100 biljoonaa kertaa raskaampi kuin yläkorkki. Sepä kiva. Mutta miksi? Miksi kvarkeilla on niin suuri joukko massoja?
Tässä kohtaa Higgsin bosoni tulee. Higgsin bosoni liittyy kenttään (Higgs-kenttään, sellaiseen kuin sähkömagneettiseen kenttään), joka läpäisee koko avaruusajan, kuten näkymätön liima, joka täyttää maailmankaikkeuden. Muiden perustavanlaatuisten hiukkasten, kuten elektronien, neutriinojen ja kvarkkien, täytyy uida tämän kentän läpi siirtyäkseen paikasta toiseen. Se tosiasia, että perushiukkaset eivät voi sivuuttaa Higgs-kenttää, on (erilaisten ja erilaisten matematiikoiden kautta) syy, että niillä on massa.
Ah, sitten vihje. Jos Higgs on jotenkin kytketty samaan massakonseptiin ja ylin kvarkki on kaukana ja kaikkein raskaimmista kvarkeista, niin Higgsin bosonin ja ylimmän kvarkin on oltava parhaat ystäviä.
Ja niin, vuosien varrella ylimmäisestä kvarkista tuli yksi portti ymmärrystämme Higgistä, ja on toivottavaa, että jatkamalla itse Higgsin tutkimusta voimme saada joitain näkökulmia ylimmän kvarkin salaperäisesti suureen massaan.
Paul M. Sutter on astrofysiikka Ohion osavaltion yliopisto, isäntä Kysy avaruusasemalta ja Avaruusradio, ja kirjoittaja Paikkasi maailmankaikkeudessa.
