Така че има тези неща, наречени кварки. (Знам, бих искал да имат по-добро име, но не съм отговорен за назоваването на нещата по физика.) Кварците са малки малки мънички частици (малко по малко ще стигнем), които са основни градивни елементи на материята. Доколкото можем да кажем, самите кварки не са направени от нищо по-малко. Това може да се промени в бъдеще, докато научаваме повече, но това е достатъчно добро за момента.
Има шест вида кварки, всеки с различни, но еднакво странни имена: нагоре, надолу, отгоре, отдолу, странно и очарователно. И въпреки името си, най-странният от sextuplets всъщност е топ кварк.
Нека копаем дълбоко.
Свръх-надолу свят
Досега най-често срещаните кварки, с които ще се сблъскате, са нагоре и надолу. Те са тези, които се свързват в тройки, за да образуват протони (два възхода и надолу) и неутрони (два падения и нагоре). За да образуват познатия положителен заряд на протона и неутралния заряд върху неутрона, кварките се нуждаят от фракционни заряди. Знам, това звучи странно, но това е само защото ние мисъл че зарядът на протоните и електроните е основен. Оказва се, сгрешихме. Нагоре кваркът има заряд плюс две трети, докато надолу кварк е минус една трета.
Още по-объркващо за кварките е, че те са изненадващо леки. Нагоре кваркът е само 0,2 процента от масата на протона, докато неговият партньор надолу кварк е само около 0,5 процента от масата на протона. И така, как тези мрачни частици могат да се добавят към масата на плътен протон?
Отговорът е силата, която свързва кваркове заедно: силната ядрена сила. Това свързване сред кварките е изключително силно - лесно побеждава естественото електрическо отблъскване на подобни заредени кварки. И тъй като енергията е едно и също нещо като масата (благодаря, Айнщайн!), Масата на протона наистина се дължи на лепилото, а не на самите кварки.
Живее на върха
Не всички кварки са толкова големи. Но в света на физиката на частиците голямото е лошата новина. Да си масивен е като да си на самия връх на висока, мършава планина. Разбира се, гледките са страхотни, но всеки намек за полъх ще ви изпрати да се спуснете в по-стабилна позиция. А стабилното означава малко - ако сте масивна частица, която страда от нестабилност, бързо се оказвате, че се превръщате в душ на по-малките си братовчеди.
Това означава, че животът е просто страхотен за горните и низходящите кваркове. Те са най-малките; така че, въпреки че нямат страхотни гледки, те не са изложени на опасност да паднат от екзистенциална скала. Следващите най-големи кварки, странни и очарователни, рядко се срещат в някакво голямо изобилие в природата. Те са толкова масивни, че е трудно да се направят на първо място и щом са произведени по някакъв екзотичен процес, те бързо се разпадат в нещо друго, не оставяйки след себе си нищо повече от спомен.
Доста време физиците смятаха, че има само тези четири кварка - нагоре, надолу, странно и очарователно. Но в началото на 70-те те започнаха да подозират в противен случай, като изследваха някои редки разграждания, включващи каони (и отново, аз не отговарям за назоваването на нещата. Каонът е дует на странен кварк и или нагоре, или надолу кварк) , За да обяснят странния разпад, който произведе тези каони, теоретиците трябваше да гадаят за съществуването на нова двойка кварки, които те нарекоха отгоре и отдолу. Тези нови кваркове бяха много, много по-тежки от останалите четири (иначе вече щяхме да ги видим).
След като кварк № 5 (отдолу) се присъедини към клуба с известни и измерени частици през 1977 г., състезанието беше на път да намери шестия и последния (върха). Проблемът обаче беше, че никой нямаше представа колко е голям, което означава, че не знаем как биец трябва да направим нашите ускорители за частици, преди да можем да изскочим такъв. Всяка година групите по целия свят ъпгрейдват своите съоръжения и всяка година те излизат накратко, като тласкат масата на тогавашната хипотетична частица все по-нагоре.
Едва през февруари 1995 г. изследователите от Фермилаб най-накрая можеха да предявят претенции за откриване на върхов кварк с маса, наклоняваща везните, почти 200 пъти по-тежка от протона. Точно така: Докато нагоре и надолу кварците почти не вършат каквато и да било работа по превръщането на протона в протон, горният кварк може лесно да разруши цели атоми с лекота.
Влезте в Хигс
Горният кварк е около 100 трилиона пъти по-тежък от горния кварк. Това е хубаво. Но защо? Защо кварките имат такъв огромен диапазон в масите?
Тук идва бозонът на Хигс. Бозонът на Хигс се свързва с поле (Хигсово поле, подобно на електромагнитното поле), което прониква през цялото пространство-време, като невидимо лепило, което запълва вселената. Други фундаментални частици, като електрони и неутрино и кварки, трябва да плуват през това поле, за да преминат от място на място. Самият факт, че основните частици не могат да игнорират Хигсовото поле, е (чрез различни и различни математики) самата причина те да имат маса.
А, акъл тогава. Ако Хигс е свързан по някакъв начин със самата концепция на масата, а горният кварк е далеч и далеч най-тежкият от кварките, тогава бозонът на Хигс и горният кварк трябва да бъдат най-доброто на приятели.
И така през годините горният кварк се превърна в един шлюз към нашето разбиране за Хигс и се надяваме, че с по-нататъшно изучаване на самия Хигс можем да получим някои гледни точки за мистериозно голямата маса на най-горния кварк.
Пол М. Сътър е астрофизик в Държавният университет в Охайо, домакин на Попитайте Космонавт и Космическо радиои автор на Вашето място във Вселената.
