Nii et seal on neid asju, mida nimetatakse kvarkideks. (Ma tean, ma soovin, et neil oleks parem nimi, aga ma ei vastuta füüsikas asjade nimetamise eest.) Kvargid on väikesed teensy pisikesed osakesed (jõuame täpselt selleni, et natukenegi), mis on olulised ehitusplokid ainest. Niipalju kui me võime öelda, ei ole kvargid ise tehtud millestki väiksemast. See võib tulevikus muutuda, kui saame rohkem teada, kuid praegu on see piisavalt hea.
Kvarke on kuut tüüpi, millel kõigil on erinevad, kuid võrdselt pentsikud nimed: üles, alla, ülevalt, alt, imelikult ja sarmikalt. Ja hoolimata nimest, on sekstipletidest kõige kummalisem tegelikult tippkvark.
Kaevame sügavale.
Tagurpidi maailm
Ülekaalukalt on kõige tavalisemad kvargid üles- ja allapoole. Nad on need, mis kumuleeruvad kolmikuteks, moodustades prootonid (kaks üles ja alla) ja neutronid (kaks alla ja üles). Prootoni tuttava positiivse laengu ja neutronlaengu moodustamiseks vajavad kvargid murdlaenguid. Ma tean, see kõlab imelikult, kuid see on ainult sellepärast, et meie arvasin et prootonite ja elektronide laeng oli põhiline. Selgub, me eksisime. Ülemise kvari laeng on pluss kaks kolmandikku, samas kui kvargi iste on miinus üks kolmandik.
Veel enam segab kvarke see, et nad on üllatavalt kerged. Ülesjäänud kvark moodustab prootoni massist kõigest 0,2 protsenti, samas kui tema partner alumine kvark moodustab ainult umbes 0,5 protsenti prootoni massist. Kuidas saavad need mõõdukad osakesed kopsaka prootoni massi moodustada?
Vastus on kvarke ühendav jõud: tugev tuumajõud. See kvarkide sidumine on silmatorkavalt tugev - võidab käepäraselt sarnaselt laetud kvarkide loomuliku elektrilise tõrke. Ja kuna energia on sama asi kui mass (aitäh, Einstein!), On prootoni mass tegelikult tingitud liimist, mitte kvarkidest endast.
Elamine peal
Kõik kvargid pole nii suured. Kuid osakestefüüsika maailmas on suur halb uudis. Massiivne olemine on nagu kõrge, kõhn mäe tipus olemine. Muidugi, vaated on suurepärased, kuid kõik tuuleiilid viivad teid viskamisele stabiilsemasse kohta. Ja stabiilne tähendab väikest - kui olete massiivne osake, mis kannatab ebastabiilsuse käes, siis muutute end kiiresti oma väiksemate nõbude dušiks.
See tähendab, et elu on üles- ja allapoole kvarkide jaoks lihtsalt ebameeldiv. Nad on kõige väiksemad; nii et kuigi neil pole suurepäraseid vaateid, ei ole neil mingit ohtu eksistentsiaalsele kaljule kukkuda. Järgmisi suuremaid kvarke, imelikke ja sarmikaid, leidub looduses harva igasuguses suures arvukuses. Need on nii massiivsed, et neid on kõigepealt raske valmistada ja niipea, kui need on valmistatud mingi eksootilise protsessi abil, lagunevad nad kiiresti millekski muuks, jättes endast järele vaid mälu.
Füüsikud arvasid pikka aega, et seal on ainult need neli kvarki - üles, alla, kummalised ja sarmikad. Kuid 1970-ndate aastate alguses hakkasid nad kahtlustama teisiti, uurides kaonega seotud haruldasi lagunemisi (ja jällegi ei vastuta ma asjade nimetamise eest. Kaon on kummalise kvargi ja kas üles või alla kvark duett) . Neid kaone tekitanud imeliku lagunemise selgitamiseks pidid teoreetikud arvama uue kvarkkide paari olemasolust, mille nad nimetasid üla- ja alaosaks. Need uued kvargid olid palju, palju raskemad kui ülejäänud neli (muidu oleksime neid nüüd juba näinud).
Kui kvarkk nr 5 (põhi) 1977. aastal ühines tuntud ja mõõdetud osakeste klubiga, asuti võistlema kuuenda ja viimase (ülemise) leidmiseks. Kuid probleem oli selles, et kellelgi polnud aimugi, kui suur see oli - see tähendab, et me ei teadnud, kui lihakamaks peame oma osakeste kiirendid valmistama, enne kui ühe välja hüppame. Igal aastal uuendasid rühmad kogu maailmas oma käiku ja igal aastal tulid nad lühikeseks, surudes tolleaegse hüpoteetilise osakese massi aina ülespoole.
Alles 1995. aasta veebruaris said Fermilabi teadlased lõpuks kaaluda tippkvargi avastamist, mille mass kaaluks on peaaegu 200 korda raskem kui prooton. Täpselt nii: kuigi üles- ja allapoole kvargid teevad vaevalt prootoni prootoniks muutmise, saab ülemine kvar hõlpsasti kogu aatomit keha külge suruda.
Sisenege Higgsi
Ülemine kvarkk on umbes 100 triljonit korda raskem kui üles kvark. See on tore. Aga miks? Miks on kvarkide mass nii ulatuslik?
Siit tuleb Higgsi boson. Higgsi boson on seotud väljaga (Higgsi väli, selline nagu elektromagnetiline väli), mis tungib läbi kogu ruumi aja, nagu nähtamatu liim, mis täidab universumit. Teised põhiosakesed, nagu elektronid, neutriinod ja kvargid, peavad ühest kohast teise liikudes selle välja läbi ujuma. Fakt, et põhiosakesed ei saa Higgsi välja ignoreerida, on (mitmesuguste ja mitmesuguste matemaatika kaudu) just põhjus, miks neil on mass.
Ah siis aimugi. Kui Higgs on kuidagi ühendatud just selle massimõistega ja ülemine kvark on kõige kvarkidest kaugemal ja kaugel, siis peavad Higgsi boson ja ülemine kvark olema parim sõprade hulgast.
Ja nii sai tippkvark aastate jooksul ühe värava meie arusaamiseks Higgidest ja on lootust, et Higgsi enda edasise uurimisega saame mõned vaatenurgad tippkvargi müstiliselt suure massi kohta.
Paul M. Sutter on astrofüüsik juures Ohio Riiklik Ülikool, host Küsi kosmosemehelt ja Kosmoseraadio, ja artikli autor Sinu koht universumis.
