Dakle, postoje ove stvari koje se nazivaju kvarkovima. (Znam, volio bih da imaju bolje ime, ali nisam zadužen za navođenje stvari iz fizike.) Kvarkovi su malene sitne čestice (malo ćemo doći do tačno koliko su mali) koji su temeljni građevni blokovi od materije. Koliko znamo, sami kvarkovi nisu izrađeni od ničega manjeg. To će se u budućnosti možda promijeniti kako saznajemo više, ali za sada je to dovoljno dobro.
Postoji šest vrsta kvarkova, svaki s različitim, ali jednako čudnim imenima: gore, dolje, odozdo, odozdo, čudan i šarmantan. I unatoč svom imenu, najčudniji od sextupleta zapravo je vrhunski kvark.
Kopajmo duboko.
Naopaki svijet
Daleko su najčešći kvarkovi na koje ćete nailaziti. Oni se povezuju u trojke kako bi tvorili protone (dva uspona i padova) i neutrone (dva pada i uspona). Da bi formirali poznati pozitivni naboj protona i neutralni naboj na neutronu, kvarkovi trebaju frakcijske naboje. Znam, to zvuči čudno, ali to je samo zato što mi misao da je naboj protona i elektrona bio temeljni. Ispada da smo pogriješili. Gornji kvark ima naknadu od plus dvije trećine, dok donji kvark sjedi na minus jednu trećinu.
Ono što još više zbunjuje kod kvarkova jest da su iznenađujuće lagani. Gornji kvark je samo 0,2 posto mase protona, dok je njegov partner donji kvark tek oko 0,5 posto mase protona. Pa kako ove mizerne čestice mogu sakupiti masu ogromnog protona?
Odgovor je sila koja veže kvarkove zajedno: jaka nuklearna sila. To vezanje među kvarkovima izrazito je snažno - ručno pobjeđujejući prirodnu električnu odbojnost sličnih naboja kvarkova. A budući da je energija ista stvar kao i masa (hvala, Einstein!), Masa protona doista je zaslužna za ljepilo, a ne za same kvarkove.
Živim na vrhu
Nisu svi kvarkovi tako veliki. Ali u svijetu fizike čestica, velike su loše vijesti. Biti masivan je kao biti na samom vrhu visoke, mršave planine. Svakako, pogledi su sjajni, ali svaki nalet vjetra će vas poslati spuštanje na stabilniji položaj. A stabilnost znači mala - ako ste masivna čestica koja trpi nestabilnost, brzo se pretvarate u tuš svog manjeg rođaka.
To znači da je život samo bježav za četvrti prema gore i dolje. Oni su najmanji; tako da iako nemaju sjajan pogled, nisu u nikakvoj opasnosti da padnu s egzistencijalne litice. Sljedeći najveći kvarkovi, čudni i dražesni, rijetko se nalaze u bilo kojem velikom obilju u prirodi. Oni su toliko masivni da ih je teško napraviti na prvom mjestu, a čim ih proizvede neki egzotični postupak, brzo propadaju u nešto drugo, ne ostavljajući za sobom ništa više od uspomene.
Dugo vremena fizičari su smatrali da postoje samo ova četiri kvarka - gore, dolje, čudno i šarmantan. Ali u ranim 1970-ima počeli su sumnjati u drugačije postupke ispitujući neke rijetke propadke koji uključuju kaone (i opet, nisam zadužen za imenovanje stvari. Kaon je dvojac čudnog kvarka i ili gore ili dolje kvark) , Da bi objasnili čudno propadanje koje je proizvelo ove kaone, teoretičari su morali nagađati postojanje novog para kvarkova, koji su nazvali vrh i dno. Ti su novi kvarkovi bili mnogo, puno teži od ostala četiri (inače bismo ih već vidjeli).
Nakon što se kvark broj 5 (dno) pridružio klubu poznatih i odmjerenih čestica 1977. godine, utrka je bila pronađena šesta i konačna (vrh). Ali problem je bio u tome što nitko nije imao pojma koliko je to velik, to znači da nismo znali kako da napravimo akceleraciju čestica prije nego što smo mogli ispasti. Svake godine grupe širom svijeta nadograđivale su svoju opremu, a svake su godine dolazile do kraja, gurajući masu tadašnje hipotetičke čestice sve više prema gore.
Tek su u veljači 1995. istraživači u Fermilabu napokon mogli postavljati tvrdnje za otkriće vrhunskog kvarka s masom koja je nagnula ljestvicu gotovo 200 puta težu od protona. Točno: Iako gornji i donji kvarkovi jedva rade bilo koji posao stvaranja protona, gornji kvark s lakoćom može srušiti čitave atome.
Uđite u Higge
Gornji kvark je oko 100 trilijuna puta teži od gornjeg kvarka. To je lijepo. Ali zašto? Zašto kvarkovi imaju ogroman raspon masa?
Tu dolazi Higgsov bozon. Higgsov bozon povezan je s poljem (Higgsovo polje, nalik elektromagnetskom polju) koje prožima sve prostor-vrijeme, poput nevidljivog ljepila koje puni svemir. Ostale temeljne čestice, poput elektrona i neutrina i kvarkova, moraju plivati kroz to polje da bi išle s mjesta na mjesto. Sama činjenica da temeljne čestice ne mogu zanemariti Higgsovo polje je (kroz različite i raznolike matematike) razlog zašto imaju masu.
Ah, trag, dakle. Ako je Higgs nekako povezan sa samim pojmom mase, a gornji kvark je daleko i najteži od kvarkova, tada Higgsov bozon i gornji kvark moraju biti najbolje prijatelja.
I tako je tijekom godina gornji kvark postao jedno vrata za naše razumijevanje Higgsa, a nadamo se da ćemo daljnjim proučavanjem samog Higga dobiti neke perspektive o tajanstveno velikoj masi gornjeg kvarka.
Paul M. Sutter je astrofizičar na Državno sveučilište Ohio, domaćin Pitajte svemira i Svemirski radio, i autor Vaše mjesto u svemiru.
