Torej so te stvari imenovane kvarki. (Vem, rad bi imel boljše ime, toda jaz nisem odgovoren za poimenovanje stvari iz fizike.) Kvarki so majhni drobni delci (na malce bomo prišli do natančnega pomena), ki so temeljni gradniki materije. Kolikor lahko rečemo, sami kvarki niso narejeni iz nič manjšega. To se bo lahko v prihodnosti spremenilo, ko bomo izvedeli več, vendar je zaenkrat dovolj dobro.
Obstaja šest vrst kvarkov, vsak z različnimi, a enako čudnimi imeni: gor, dol, vrh, spodaj, čuden in očarljiv. In kljub svojemu imenu je najbolj čuden izmed sekstupletov pravzaprav vrh kvark.
Kopajmo globoko.
Navdušen svet
Daleč najpogostejši kvarki, ki jih boste srečali, so gor in dol. Oni so tisti, ki se združujejo v trojčke in tvorijo protone (dva vzpona in padca) in nevtrone (dva padca in gor). Da tvorijo že znani pozitivni naboj protona in nevtralni naboj na nevtronu, kvarki potrebujejo delne naboje. Vem, to se sliši čudno, ampak to je samo zato, ker mi misel da je naboj protonov in elektronov temeljnega pomena. Izkazalo se je, da se nismo motili. Zgornja kvarka je napolnjena z dvema tretjinama, navzdol pa je znašala minus ena tretjina.
Še bolj zmedeno pri kvarkih je, da so presenetljivo lahki. Zgornja kvarka znaša le 0,2 odstotka mase protona, medtem ko je njen partner spodnji kvark le okoli 0,5 odstotka protonske mase. Kako lahko ti kosmati delci seštevajo maso zajetnega protona?
Odgovor je sila, ki veže kvarke skupaj: močna jedrska sila. Ta vezava med kvarki je neverjetno močna - priročno premaga naravno električno odbojnost podobno nabitih kvarkov. In ker je energija isto kot masa (hvala, Einstein!), Je masa protona res posledica lepila in ne samih kvarkov.
Živim na vrhu
Niso vsi kvarki tako veliki. Toda v svetu fizike delcev so velike slabe novice. Biti množičen je kot biti na samem vrhu visoke, mrzle gore. Seveda, razgledi so odlični, vendar vas bo vsak namig vetra poslal, da se boste spustili v bolj stabilen položaj. In stabilno pomeni majhno - če ste masivni delci, ki trpijo nestabilnost, se hitro znajdete, da se preoblikujete v prho svojih manjših bratrancev.
To pomeni, da je življenje samo pestro za kvarte gor in dol. Najmanjši so; tako da, čeprav nimajo odličnih razgledov, ne ogrožajo padca z eksistencialne pečine. Naslednji največji kvarki, čudni in očarljivi, v naravi le redko najdemo. So tako množični, da jih je težko narediti, in takoj, ko jih izdelajo po kakšnem eksotičnem postopku, hitro razpadejo v nekaj drugega, ne ostanejo nič drugega kot spomin.
Kar nekaj časa so fiziki menili, da obstajajo samo ti štirje kvarki - gor, dol, čuden in očarljiv. Toda v zgodnjih sedemdesetih letih prejšnjega stoletja so začeli sumiti drugače, ko so preučili nekaj redkih razpadov, ki vključujejo kaone (in spet nisem zadolžen za poimenovanje stvari. Kaon je duo čudnega kvarka in bodisi gor ali dol kvark) . Da bi razložili nenavaden razpad, ki je povzročil te kaone, so morali teoretiki ugibati o obstoju novega para kvarkov, ki so ga poimenovali vrh in dno. Ti novi kvarki so bili veliko, veliko težji od ostalih štirih (sicer bi jih že videli do zdaj).
Ko se je kvark št. 5 (spodaj) leta 1977 pridružil klubu znanih in izmerjenih delcev, je bila dirka najti šesto in končno (vrh). Toda težava je bila v tem, da nihče ni imel pojma, kako velik je, kar pomeni, da nismo vedeli, kako je treba narediti naše pospeševalce delcev, preden bomo lahko izpustili. Vsako leto so skupine po vsem svetu nadgrajevale svoje orodje in vsako leto so prišle kratek, kar potisne množico takratnih hipotetičnih delcev vse bolj navzgor.
Šele februarja 1995 so raziskovalci v Fermilabu končno lahko postavili trditev o odkritju vrhunske kvarke z maso, ki je na lestvici skoraj 200-krat težja od protona. Tako je: medtem ko gorski in spodnji kvarki komaj delajo, da bi naredili protone, lahko zgornji kvark z lahkoto razbije celotne atome.
Vpišite Higgs
Zgornja kvarka je približno 100 trilijonov krat težja od gornje. To je lepo. Ampak zakaj? Zakaj imajo kvarki tako ogromen obseg množic?
Tukaj prihaja Higgsov bozon. Higgsov bozon je povezan s poljem (Higgsovo polje, podobno kot elektromagnetno polje), ki prežema ves prostor-čas, kot nevidno lepilo, ki polni vesolje. Ostali temeljni delci, kot so elektroni in nevtrini in kvarki, morajo plavati skozi to polje, da gredo od mesta do kraja. Dejstvo, da temeljni delci ne morejo prezreti Higgsovega polja, je (z različnimi in različnimi matematikami) razlog, da imajo svojo maso.
Ah, pojem, torej. Če je Higgsov nekako povezan s samim pojmom mase in je zgornji kvark daleč in daleč najtežji kvark, morata biti Higgsov bozon in zgornji kvark najboljši prijateljev.
In tako je z leti vrh kvark postal ena od poti do našega razumevanja Higgsov in upamo, da bomo z nadaljnjim proučevanjem samega Higga lahko dobili nekaj perspektive o skrivnostno veliki masi zgornjega kvarka.
Paul M. Sutter je astrofizik pri Državna univerza Ohio, gostitelj Vprašajte vesoljca in Vesoljski radioin avtorja Vaše mesto v vesolju.
