Deci, există aceste lucruri numite quark. (Știu, mi-aș dori să aibă un nume mai bun, dar nu sunt responsabil de numirea lucrurilor în fizică.) Quark-urile sunt particule minuscule minuscule (vom ajunge la cât de mic în pic) care sunt blocuri fundamentale de construcție de materie. Din câte ne putem da seama, quark-urile în sine nu sunt făcute cu nimic mai mic. Acest lucru se poate schimba în viitor pe măsură ce învățăm mai multe, dar deocamdată este suficient de bun.
Există șase tipuri de quark, fiecare cu nume diferite, dar la fel de ciudate: sus, jos, sus, jos, ciudat și farmec. Și în ciuda numelui său, cel mai ciudat dintre sextuplete este de fapt quark-ul de top.
Să săpăm adânc
Lumea în sus
De departe, cele mai comune quark-uri pe care le veți întâlni sunt cele sus și jos. Ei sunt cei care se grupează în triplete pentru a forma protoni (doi în sus și în jos) și neutroni (doi coborâși și un în sus). Pentru a forma încărcătura pozitivă familiară a protonului și încărcarea neutră a neutronului, quark-urile au nevoie de sarcini fracționale. Știu, sună ciudat, dar asta doar pentru că noi gând că încărcarea protonilor și a electronilor era fundamentală. Se pare că am greșit. Quark-ul sus are o taxă de plus două treimi, în timp ce quark-ul jos stă la minus o treime.
Ceea ce este și mai confuz cu privire la quarks este faptul că sunt surprinzător de ușoare. Quark-ul este doar 0,2 la sută din masa protonului, în timp ce partenerul său, quark-ul în jos, este doar în jur de 0,5% din masa protonului. Deci, cum se pot adăuga aceste particule ușoare la masa unui proton greoi?
Răspunsul este forța care leagă quark-urile: forța nucleară puternică. Această legătură printre quarkuri este în mod evident puternic - învinge cu ușurință repulsia electrică naturală a quarkurilor încărcate în mod similar. Și din moment ce energia este același lucru cu masa (mulțumesc, Einstein!), Masa protonului se datorează cu adevărat lipiciului, și nu quark-urilor în sine.
Trăind pe vârf
Nu toate precizările sunt atât de mari. Dar în lumea fizicii particulelor, marea este o veste proastă. A fi masiv este ca și cum ai fi în vârful unui munte înalt și slab. Sigur, priveliștile sunt minunate, dar orice indiciu de briză vă va trimite în jos într-o poziție mai stabilă. Și stabil înseamnă mic - dacă ești o particulă masivă care suferă de o instabilitate, te găsești rapid transformându-te într-un duș al verișorilor tăi mai mici.
Asta înseamnă că viața este doar piersică pentru quark-urile în sus și în jos. Sunt cei mai mici; așa că, deși nu au vederi grozave, nu sunt în pericol să cadă de pe o stâncă existențială. Următoarele quark-uri cele mai mari, ciudate și farmec, se găsesc rareori într-o mare abundență în natură. Sunt atât de masive încât sunt greu de realizat în primul rând și de îndată ce sunt fabricate printr-un proces exotic, se descompun rapid în altceva, lăsând în urmă nimic altceva decât o amintire.
Timp de ceva vreme, fizicienii au crezut că există doar aceste patru quarks - sus, jos, ciudat și farmec. Dar, la începutul anilor '70, au început să suspecteze altfel examinând unele decăderi rare care implică kaoni (și din nou, nu sunt responsabil de numirea lucrurilor. Kaon este un duo al unui quark ciudat și fie al unui quark în sus, fie în jos) . Pentru a explica ciudata descompunere care a produs aceste kaonuri, teoreticienii au trebuit să ghicească existența unei noi perechi de quarks, pe care au numit-o de sus și de jos. Aceste noi quark-uri erau mult, mult mai grele decât celelalte patru (altfel le-am fi văzut până acum).
Odată ce quark-ul nr. 5 (partea de jos) s-a alăturat clubului de particule cunoscute și măsurate în 1977, cursa urma să găsească a șasea și ultima (partea superioară). Problema era însă că nimeni nu avea nici o idee cât de mare era, ceea ce înseamnă că nu știam cât de tare trebuie să ne facem acceleratoarele de particule înainte de a putea scoate un afară. În fiecare an, grupuri din întreaga lume își perfecționau echipamentele și în fiecare an veneau în scurt timp, împingând masa particulei de atunci ipotetice în sus.
Abia în februarie 1995, cercetătorii de la Fermilab au putut în cele din urmă să pretindă descoperirea unui quark de vârf cu o masă care înclină cântarul de aproape 200 de ori mai greu decât un proton. Așa este: în timp ce quark-urile de sus și de-abia fac treaba pentru a face un proton un proton, quark-ul de sus poate cu ușurință corpul plasa atomi întregi cu ușurință.
Intrați în Higgs
Quark-ul de sus este de aproximativ 100 de miliarde de ori mai greu decât quark-ul ascendent. Este frumos. Dar de ce? De ce quark-urile au o gamă atât de imensă în mase?
Aici intervine bosonul Higgs. Bosonul Higgs este asociat cu un câmp (câmpul Higgs, de genul câmpului electromagnetic) care pătrunde în tot spațiul-timp, ca un lipici invizibil care umple universul. Alte particule fundamentale, cum ar fi electronii, neutrinii și quark-urile, trebuie să înoate prin acest câmp pentru a merge dintr-un loc în altul. Faptul că particulele fundamentale nu pot ignora câmpul Higgs este (prin diverse matematice și diverse) tocmai motivul pentru care au masă.
Ah, un indiciu, atunci. Dacă Higgs este oarecum conectat la conceptul de masă și quark-ul de sus este departe și cel mai greu dintre quark-uri, atunci bosonul Higgs și quark-ul superior trebuie să fie Cel mai bun de prieteni.
Și astfel, de-a lungul anilor, quark-ul de sus a devenit o poartă pentru înțelegerea noastră a Higgs-ului și se speră că, prin studierea ulterioară a Higgs-ului în sine, vom putea obține câteva perspective asupra masei mari misterioase a quark-ului de vârf.
Paul M. Sutter este astrofizician la Universitatea de Stat din Ohio, gazda Întrebați un Spaceman și Radio spațială, și autorul Locul tău în Univers.
