Takže existují věci nazývané kvarky. (Vím, přeji si, aby měli lepší jméno, ale já nemám na starosti pojmenovávání věcí ve fyzice.) Kvarky jsou malé teensy malé částice (dostaneme se k tomu, jak malé po kousku), které jsou základními stavebními kameny hmoty. Pokud víme, kvarky samy o sobě nejsou vyrobeny z nic menšího. To se může v budoucnu změnit, když se dozvíme více, ale prozatím je to dost dobré.
Existuje šest druhů kvarků, každý s různými, ale stejně nepředvídatelnými jmény: nahoru, dolů, nahoru, dole, podivné a kouzlo. A navzdory svému názvu je nejpodivnější ze sextupletů vlastně top kvark.
Pojďme kopat hluboko.
Svět vzhůru nohama
Nejběžnější kvarky, se kterými se setkáte, jsou zdaleka ty nahoru a dolů. Jsou to ty, které se svazují ve trojicích, aby vytvořily protony (dva vzestupy a sestupně) a neutrony (dva sestřely a vzestup). K vytvoření známého kladného náboje protonu a neutrálního náboje na neutronu potřebují kvarky zlomkové náboje. Vím, že to zní divně, ale to je jen proto, že my myslel že náboj protonů a elektronů byl zásadní. Ukázalo se, že jsme se mýlili. Kvark nahoře má náboj plus dvě třetiny, zatímco kvark dole leží na jedné třetině.
Co je ještě více matoucí na kvarkech, je to, že jsou překvapivě lehké. Kvark nahoru je jen 0,2 procenta hmotnosti protonu, zatímco jeho partner je dolů kvark jen asi 0,5 procenta protonové hmoty. Jak tedy mohou tyto sprosté částice přispět k množství mohutného protonu?
Odpověď je síla, která spojuje kvarky dohromady: silná jaderná síla. Tato vazba mezi kvarky je nesmírně silná - hravě poráží přirozené elektrické odpuzování podobně nabitých kvarků. A protože energie je stejná jako hmota (díky, Einsteine!), Hmotnost protonu je skutečně způsobena lepidlem, nikoli samotnými kvarky.
Bydlení na vrcholu
Ne všechny kvarky jsou tak velké. Ale ve světě částicové fyziky je velká špatná zpráva. Být masivní je jako být na samém vrcholu vysoké, hubené hory. Jistě, výhledy jsou skvělé, ale jakýkoli náznak vánku vás posune dolů na stabilnější pozici. A stabilní znamená malý - pokud jste masivní částice trpící nestabilitou, rychle zjistíte, že se měníte ve sprchu vašich menších bratranců.
To znamená, že život je pro broskve nahoru a dolů jen broskev. Jsou nejmenší; takže když nemají skvělé výhledy, nehrozí jim nebezpečí, že spadnou z existenciálního útesu. Další největší kvarky, podivné a kouzelné, se zřídka vyskytují v jakékoli velké hojnosti v přírodě. Jsou tak masivní, že je těžké je vyrobit na prvním místě, a jakmile jsou vyrobeny nějakým exotickým procesem, rychle se rozpadnou na něco jiného a nezanechají nic víc než paměť.
Fyzici si chvíli mysleli, že existují pouze tyto čtyři kvarky - nahoru, dolů, podivné a kouzlo. Ale na začátku 70. let začali podezření na něco jiného zkoumat některé vzácné rozpady zahrnující kaony (a opět nemám na starosti pojmenování věcí. Kaon je duo podivného kvarku a buď nahoru nebo dolů kvark) . Aby vysvětlili divný rozpad, který tyto kaony produkoval, museli teoretici hádat o existenci nové dvojice kvarků, které dabovali horní a dolní. Tyto nové kvarky byly mnohem, mnohem těžší než ostatní čtyři (jinak bychom je už viděli).
Jakmile se kvark č. 5 (dole) připojil ke skupině známých a měřených částic v roce 1977, závod byl na tom, aby našel šestou a poslední (horní). Problém však byl v tom, že nikdo netušil, jak je velký, což znamená, že jsme nevěděli, jak je třeba udělat z našich urychlovačů částic naše urychlovače částic, než bychom je mohli vytáhnout. Každý rok skupiny po celém světě vylepšovaly své vybavení a každý rok přišly krátce a tlačily hmotu tehdy hypotetické částice, která kdy byla vzhůru.
Teprve v únoru 1995 mohli vědci ve společnosti Fermilab konečně vsadit nárok na objev top kvarku s hmotou, která váhu sklopila téměř 200krát těžší než proton. To je pravda: Zatímco kvarky nahoru a dolů sotva vykonávají jakoukoli práci na vytvoření protonu na proton, horní kvark může snadno lehce rozbít celé atomy.
Zadejte Higgs
Horní kvark je asi 100 bilionů těžší než kvark nahoru. To je hezké. Ale proč? Proč mají kvarky tak obrovský rozsah mas?
Tady přichází Higgsův boson. Higgsův bozon je spojen s polem (Higgsovo pole, jakési jako elektromagnetické pole), které prostupuje celým časoprostorem, jako neviditelné lepidlo vyplňující vesmír. Ostatní základní částice, jako jsou elektrony, neutrina a kvarky, musí plavat tímto polem, aby se přesunuly z místa na místo. Samotná skutečnost, že základní částice nemohou ignorovat Higgsovo pole, je (díky různým a různým matematikům) samotný důvod, proč mají hmotu.
Aha, tedy vodítko. Pokud je Higgs nějak spojen se samotným konceptem hmoty a horní kvark je zdaleka nejtěžší z kvarků, pak musí být Higgsův boson a horní kvark nejlepší přátel.
A tak se v průběhu let stal top kvark jednou bránou k našemu porozumění Higgsům a doufáme, že s dalším studiem samotného Higgs můžeme získat nějaké pohledy na záhadně velkou hmotu top kvarků.
Paul M. Sutter je astrofyzik na Státní univerzita v Ohiu, hostitel Zeptejte se Spacemana a Vesmírné rádio, a autor Vaše místo ve vesmíru.
