Итак, есть такие вещи, которые называются кварками. (Я знаю, я хотел бы, чтобы у них было более подходящее имя, но я не отвечаю за наименование вещей в физике.) Кварки - это маленькие крошечные частицы (мы доберемся до того, насколько маленькими они будут), которые являются фундаментальными строительными блоками. материи Насколько мы можем судить, сами кварки не сделаны из чего-то меньшего. Это может измениться в будущем, когда мы узнаем больше, но пока этого достаточно.
Существует шесть видов кварков, каждый с разными, но одинаково причудливыми именами: вверх, вниз, сверху, снизу, странно и очаровательно. И, несмотря на свое название, самый странный из секступлетов на самом деле - главный кварк.
Давайте копать глубоко.
Перевернутый мир
Безусловно, наиболее распространенные кварки, с которыми вы столкнетесь, - это взлеты и падения. Это те, которые объединяются в тройки, образуя протоны (два взлета и вниз) и нейтроны (два взлета и вверх). Чтобы сформировать знакомый положительный заряд протона и нейтральный заряд на нейтроне, кваркам нужны дробные заряды. Я знаю, это звучит странно, но это только потому, что мы думал что заряд протонов и электронов был фундаментальным. Оказывается, мы были не правы. Восходящий кварк имеет заряд плюс две трети, в то время как нижний кварк находится на уровне минус одна треть.
Что еще более запутанно в кварках, так это то, что они удивительно легки. Восходящий кварк составляет всего 0,2 процента от массы протона, в то время как его партнер, нижний кварк, составляет всего около 0,5 процента от массы протона. Так как же эти ничтожные частицы могут составить массу здоровенного протона?
Ответ - сила, которая связывает кварки: сильная ядерная сила. Эта связь между кварками является невероятно сильной - легко преодолевает естественное электрическое отталкивание одинаково заряженных кварков. А поскольку энергия - это то же самое, что масса (спасибо, Эйнштейн!), Масса протона на самом деле зависит от клея, а не от самих кварков.
Жизнь на вершине
Не все кварки такие большие. Но в мире физики элементарных частиц большие плохие новости. Быть массивным - это все равно, что быть на вершине высокой худой горы. Конечно, вид отличный, но любой намек на ветер приведет вас к более устойчивому положению. А стабильный означает маленький - если вы массивная частица, страдающая от нестабильности, вы быстро превращаетесь в душ своих младших кузенов.
Это означает, что жизнь просто прекрасна для верхних и нижних кварков. Они самые маленькие; поэтому, несмотря на то, что у них нет великолепных видов, они не рискуют упасть с экзистенциального утеса. Следующие по величине кварки, странные и обаятельные, редко встречаются в большом количестве в природе. Они настолько массивны, что их трудно сделать в первую очередь, и как только они произведены каким-то экзотическим процессом, они быстро распадаются на что-то другое, не оставляя ничего, кроме памяти.
Некоторое время физики думали, что есть только эти четыре кварка - вверх, вниз, странно и очаровательно. Но в начале 1970-х годов они начали подозревать иное, изучая некоторые редкие распады с участием каонов (и опять же, я не отвечаю за наименование вещей. Каон - это дуэт странного кварка и кварка вверх или вниз) , Чтобы объяснить странный распад, который произвел эти каоны, теоретики должны были предположить существование новой пары кварков, которые они назвали вершиной и основанием. Эти новые кварки были намного, намного тяжелее, чем остальные четыре (иначе мы бы уже видели их).
Как только кварк № 5 (внизу) вступил в клуб известных и измеренных частиц в 1977 году, началась гонка по поиску шестого и последнего (сверху). Но проблема заключалась в том, что никто не имел ни малейшего представления о том, насколько он велик, то есть мы не знали, насколько лучше нам сделать ускорители частиц, прежде чем мы сможем их запустить. Каждый год группы по всему миру модернизировали свое снаряжение, и каждый год они терпели неудачу, подталкивая массу тогдашней гипотетической частицы вверх.
Лишь в феврале 1995 года исследователи в Фермилаб смогли наконец заявить о своем желании открыть топ-кварк с массой, опрокидывающей весы почти в 200 раз тяжелее протона. Правильно: в то время как кварки вверх и вниз едва выполняют какую-либо работу по превращению протона в протон, верхний кварк может легко обрушить целые атомы.
Введите Хиггса
Верхний кварк примерно в 100 триллионов раз тяжелее верхнего. Это мило. Но почему? Почему кварки имеют такой огромный диапазон в массах?
Это где бозон Хиггса входит. Бозон Хиггса связан с полем (поле Хиггса, вроде электромагнитного поля), которое пронизывает все пространство-время, как невидимый клей, заполняющий вселенную. Другие фундаментальные частицы, такие как электроны, нейтрино и кварки, должны плавать через это поле, чтобы перемещаться с места на место. Тот факт, что фундаментальные частицы не могут игнорировать поле Хиггса, является (с помощью различной и различной математики) той самой причиной, по которой они имеют массу.
Ах, тогда ключ. Если Хиггс какое-то образом связан с самим понятием массы, а верхний кварк, несомненно, самые тяжелые из кварков, то бозон Хиггса и топ-кварк должен быть Лучший друзей.
И поэтому за прошедшие годы верхний кварк стал одним из ворот к нашему пониманию Хиггса, и есть надежда, что с дальнейшим изучением самого Хиггса мы сможем получить некоторые представления о таинственно большой массе верхнего кварка.
Пол М. Саттер является астрофизиком в Государственный университет Огайо, хозяин Спроси космонавта и Космическое Радиои автор Ваше место во Вселенной.
