Έτσι υπάρχουν αυτά τα πράγματα που ονομάζονται κουάρκ. (Ξέρω, εύχομαι ότι είχαν ένα καλύτερο όνομα, αλλά δεν είμαι υπεύθυνος για την ονομασία των πράξεων στη φυσική.) Τα κουάρκ είναι μικρά έφηνα μικροσκοπικά σωματίδια (θα φτάσουμε στο πόσο μικρό σε λίγο) που αποτελούν θεμελιώδη δομικά στοιχεία της ύλης. Από όσο μπορούμε να πούμε, τα ίδια τα κουάρκ δεν είναι κατασκευασμένα από κάτι μικρότερο. Αυτό μπορεί να αλλάξει στο μέλλον καθώς μαθαίνουμε περισσότερα, αλλά είναι αρκετά καλό για τώρα.
Υπάρχουν έξι είδη κουάρκ, με διαφορετικά αλλά εξίσου ιδιόρρυθμα ονόματα: πάνω, κάτω, πάνω, κάτω, παράξενα και γοητευτικά. Και παρά το όνομά του, το πιο περίεργο από τα sextuplets είναι στην πραγματικότητα το κορυφαίο κουάρκ.
Ας σκάψουμε βαθιά.
Ο κόσμος προς τα κάτω
Μέχρι στιγμής, τα πιο κοινά κουάρκ που θα συναντήσετε είναι τα πάνω και τα κάτω. Είναι αυτοί που συσσωρεύονται σε τριπλέτες για να σχηματίσουν πρωτόνια (δύο σκαμπανεβάσματα και ένα κάτω) και νετρόνια (δύο πτώσεις και ένα επάνω). Για να σχηματίσουμε το γνωστό θετικό φορτίο του πρωτονίου και το ουδέτερο φορτίο στο νετρόνιο, τα κουάρκ χρειάζονται κλασματικά φορτία. Ξέρω, αυτό ακούγεται παράξενο, αλλά μόνο επειδή εμείς σκέψη ότι το φορτίο των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων ήταν θεμελιώδες. Αποδεικνύει ότι κάναμε λάθος. Το up quark έχει χρέωση συν τα δύο τρίτα, ενώ το κάτω κουάρκ κάθεται στο μείον το ένα τρίτο.
Αυτό που προκαλεί ακόμη μεγαλύτερη σύγχυση σχετικά με τα κουάρκ είναι ότι είναι εκπληκτικά ελαφριά. Το up quark είναι μόνο το 0,2% της μάζας του πρωτονίου, ενώ ο συνεργάτης του το down quark είναι μόνο περίπου το 0,5% της μάζας των πρωτονίων. Πώς μπορούν λοιπόν αυτά τα άγρια σωματίδια να προστεθούν στη μάζα ενός βαρέως πρωτονίου;
Η απάντηση είναι η δύναμη που συνδέει μαζί τα κουάρκ: την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Αυτή η δέσμευση μεταξύ των κουάρκ είναι φουσκωτά ισχυρή - χάνει εύκολα τη φυσική ηλεκτρική απόρριψη των φορτισμένων με παρόμοια κουάρκ. Και καθώς η ενέργεια είναι το ίδιο με την μάζα (χάρη, ο Αϊνστάιν!), Η μάζα του πρωτονίου οφείλεται στην κόλλα και όχι στα ίδια τα κουάρκ.
Ζώντας στην κορυφή
Δεν είναι όλα τα κουάρκ τόσο μεγάλα. Αλλά στον κόσμο της σωματιδιακής φυσικής, τα μεγάλα είναι κακά νέα. Το να είσαι μαζική είναι σαν να είσαι στην κορυφή ενός ψηλού, κοκαλιάρικου βουνού. Σίγουρα, οι απόψεις είναι μεγάλες, αλλά κάθε νόημα ενός αεράκι θα σας στείλει σε μια πιο σταθερή θέση. Και σταθερό σημαίνει μικρό - εάν είστε ένα τεράστιο σωματίδιο που υποφέρει από αστάθεια, γρήγορα θα βρεθείτε να μετατραπεί σε ντους των μικρότερων ξαδέλφων σας.
Αυτό σημαίνει ότι η ζωή είναι απλά ροδάκινο για τα κουάρκ πάνω και κάτω. Είναι το μικρότερο. οπότε ενώ δεν έχουν υπέροχη θέα, δεν κινδυνεύουν να πέσουν από υπαρκτό βράχο. Τα επόμενα μεγαλύτερα κουάρκ, παράξενα και γοητευτικά, σπάνια βρίσκονται σε οποιαδήποτε μεγάλη αφθονία στη φύση. Είναι τόσο τεράστια που είναι δύσκολο να το κάνουν, και μόλις κατασκευαστούν από κάποια εξωτική διαδικασία, γρήγορα αποσυντίθενται σε κάτι άλλο, αφήνοντας πίσω τους τίποτα περισσότερο από μια μνήμη.
Για αρκετό διάστημα, οι φυσικοί πίστευαν ότι υπήρχαν μόνο αυτά τα τέσσερα κουάρκ - πάνω, κάτω, παράξενα και γοητευτικά. Αλλά στις αρχές της δεκαετίας του 1970 άρχισαν να υποπτεύονται διαφορετικά, εξετάζοντας κάποιες σπάνιες αποσυνθέσεις με καώνες (και πάλι, δεν είμαι υπεύθυνος για την ονομασία των πραγμάτων. Το kaon είναι ένα δίδυμο ενός παράξενου κουάρκ και είτε ένα πάνω ή κάτω κουάρκ) . Για να εξηγήσουν την περίεργη αποσύνθεση που παρήγαγε αυτούς τους καόνες, οι θεωρητικοί έπρεπε να μαντέψουν την ύπαρξη ενός νέου ζευγαριού κουάρκ, το οποίο ονόμαζαν το πάνω και το κάτω μέρος. Αυτά τα νέα κουάρκ ήταν πολύ, πολύ βαρύτερα από τα άλλα τέσσερα (διαφορετικά θα τα έχουμε δει μέχρι τώρα).
Μόλις το κουάρκ αριθ. 5 (ο πυθμένας) προσχώρησε στη λέσχη γνωστών και μετρημένων σωματιδίων το 1977, ο αγώνας βρισκόταν για να βρει την έκτη και την τελευταία (την κορυφή). Αλλά το πρόβλημα ήταν ότι κανείς δεν είχε ιδέα για το πόσο μεγάλο ήταν, σημαίνοντας ότι δεν ήξερα πώς θα έπρεπε να κάνουμε τους επιταχυντές των σωματιδίων μας πριν να βγάλουμε ένα. Κάθε χρόνο ομάδες από όλο τον κόσμο αναβαθμίζουν τα εργαλεία τους και κάθε χρόνο φτάνουν σύντομα, ωθώντας τη μάζα του τότε υποθετικού σωματιδίου πάντα προς τα πάνω.
Μόλις τον Φεβρουάριο του 1995, οι ερευνητές στο Fermilab θα μπορούσαν τελικά να διατυπώσουν αξίωση για την ανακάλυψη ενός κορυφαίου κουάρκ με μια μάζα να αναποδογυρίζει τις κλίμακες σχεδόν 200 φορές βαρύτερες από ένα πρωτόνιο. Αυτό είναι σωστό: Ενώ τα κουάρκ πάνω και κάτω κάνουν μόλις ένα από τα έργα κατασκευής ενός πρωτονίου ένα πρωτόνιο, το κορυφαίο κουάρκ μπορεί εύκολα να χτυπήσει ολόκληρα τα άτομα με ευκολία.
Εισάγετε το Higgs
Το κορυφαίο κουάρκ είναι περίπου 100 τρισεκατομμύρια φορές βαρύτερο από το up quark. Αυτό είναι ωραίο. Μα γιατί? Γιατί τα κουάρκ έχουν τόσο μεγάλη έκταση στις μάζες;
Εδώ μπαίνει το μποζόνιο Higgs. Το μποζόνιο Higgs συνδέεται με ένα πεδίο (το πεδίο Higgs, το είδος του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου) που διαπερνά όλο τον χωροχρόνο, σαν μια αόρατη κόλλα που γεμίζει το σύμπαν. Άλλα θεμελιώδη σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα και τα κουάρκ, πρέπει να κολυμπήσουν μέσα από αυτό το πεδίο για να μεταβούν από τόπο σε τόπο. Το ίδιο το γεγονός ότι τα θεμελιώδη σωματίδια δεν μπορούν να αγνοήσουν το πεδίο Higgs είναι (λόγω διαφόρων και διαφόρων μαθηματικών) ακριβώς ο λόγος που έχουν μάζα.
Αχ, μια ένδειξη, τότε. Εάν το Higgs συνδέεται κατά κάποιο τρόπο με την ίδια την έννοια της μάζας και το κορυφαίο κουάρκ είναι μακράν το βαρύτερο από τα κουάρκ, τότε το μποζόνιο Higgs και το κορυφαίο κουάρκ πρέπει να είναι καλύτερος φίλων.
Και όλα αυτά τα χρόνια, το κορυφαίο κουάρκ έγινε μια πύλη για την κατανόησή μας για το Higgs και ελπίζουμε ότι με την περαιτέρω μελέτη του ίδιου του Higgs θα μπορέσουμε να πάρουμε κάποιες προοπτικές για τη μυστηριωδώς μεγάλη μάζα του κορυφαίου κουάρκ.
Paul M. Sutter είναι ένας αστροφυσικός στο Το κρατικό πανεπιστήμιο του Οχάιο, υποδοχής του Ρωτήστε έναν διαστημόπλοιο και Διαστημικό ραδιόφωνο, και συγγραφέας του Η Θέση σας στο Σύμπαν.
