Es gibt also solche Dinge, die Quarks genannt werden. (Ich weiß, ich wünschte, sie hätten einen besseren Namen, aber ich bin nicht dafür verantwortlich, Dinge in der Physik zu benennen.) Quarks sind kleine winzige Partikel (wir werden gleich genau wissen, wie klein sie sind), die grundlegende Bausteine sind der Materie. Soweit wir das beurteilen können, bestehen Quarks selbst nicht aus etwas Kleinerem. Das mag sich in Zukunft ändern, wenn wir mehr lernen, aber es ist vorerst gut genug.
Es gibt sechs Arten von Quarks mit jeweils unterschiedlichen, aber gleichermaßen eigenartigen Namen: oben, unten, oben, unten, seltsam und charmant. Und trotz seines Namens ist das seltsamste der Sextuplets tatsächlich der Top-Quark.
Lass uns tief graben.
Umgedrehte Welt
Bei weitem sind die häufigsten Quarks die auf und ab. Sie sind diejenigen, die sich zu Drillingen zu Protonen (zwei Höhen und Tiefen) und Neutronen (zwei Tiefen und Höhen) bündeln. Um die bekannte positive Ladung des Protons und die neutrale Ladung des Neutrons zu bilden, benötigen die Quarks gebrochene Ladungen. Ich weiß, das klingt komisch, aber das liegt nur daran, dass wir habe gedacht dass die Ladung von Protonen und Elektronen grundlegend war. Es stellte sich heraus, wir haben uns geirrt. Der Up-Quark hat eine Ladung von plus zwei Dritteln, während der Down-Quark bei minus einem Drittel liegt.
Noch verwirrender an den Quarks ist, dass sie überraschend leicht sind. Der Up-Quark macht lediglich 0,2 Prozent der Masse des Protons aus, während sein Partner, der Down-Quark, nur etwa 0,5 Prozent der Protonenmasse ausmacht. Wie können sich diese dürftigen Teilchen zur Masse eines kräftigen Protons addieren?
Die Antwort ist die Kraft, die Quarks zusammenhält: die starke Atomkraft. Diese Bindung zwischen den Quarks ist unglaublich stark - sie besiegt leicht die natürliche elektrische Abstoßung der ähnlich geladenen Quarks. Und da Energie dasselbe ist wie Masse (danke, Einstein!), Ist die Masse des Protons wirklich auf den Klebstoff zurückzuführen und nicht auf die Quarks selbst.
Oben leben
Nicht alle Quarks sind so groß. Aber in der Welt der Teilchenphysik sind große schlechte Nachrichten. Massiv zu sein ist wie ganz oben auf einem hohen, dünnen Berg zu sein. Sicher, die Aussicht ist großartig, aber jede Andeutung einer Brise lässt Sie in eine stabilere Position fallen. Und stabil bedeutet klein - wenn Sie ein massives Teilchen sind, das unter einer Instabilität leidet, verwandeln Sie sich schnell in eine Dusche Ihrer kleineren Cousins.
Das heißt, das Leben ist nur pfirsichfarben für die Auf- und Ab-Quarks. Sie sind die kleinsten; Obwohl sie keine großartigen Aussichten haben, besteht keine Gefahr, dass sie von einer existenziellen Klippe fallen. Die nächstgrößeren Quarks, seltsam und charmant, sind in der Natur selten in großer Menge anzutreffen. Sie sind so massiv, dass sie in erster Linie schwer herzustellen sind, und sobald sie durch einen exotischen Prozess hergestellt werden, zerfallen sie schnell in etwas anderes und hinterlassen nichts weiter als eine Erinnerung.
Lange Zeit dachten die Physiker, es gäbe nur diese vier Quarks - hoch, runter, seltsam und charmant. Aber in den frühen 1970er Jahren begannen sie, etwas anderes zu vermuten, indem sie einige seltene Zerfälle mit Kaonen untersuchten (und ich bin auch nicht dafür verantwortlich, Dinge zu benennen. Der Kaon ist ein Duo aus einem seltsamen Quark und entweder einem Up- oder einem Down-Quark). . Um den seltsamen Zerfall zu erklären, der diese Kaonen hervorbrachte, mussten Theoretiker die Existenz eines neuen Quarkpaares erraten, das sie oben und unten nannten. Diese neuen Quarks waren viel, viel schwerer als die anderen vier (sonst hätten wir sie inzwischen gesehen).
Als Quark Nr. 5 (unten) 1977 dem Club der bekannten und gemessenen Partikel beitrat, war das Rennen im Gange, um den sechsten und letzten (oben) zu finden. Das Problem war jedoch, dass niemand eine Ahnung hatte, wie groß es war, was bedeutete, dass wir nicht wussten, wie kräftiger wir unsere Teilchenbeschleuniger herstellen mussten, bevor wir einen herausspringen konnten. Jedes Jahr verbesserten Gruppen auf der ganzen Welt ihre Ausrüstung, und jedes Jahr kamen sie zu kurz und drückten die Masse des damals hypothetischen Teilchens immer weiter nach oben.
Erst im Februar 1995 konnten die Forscher von Fermilab endlich einen Anspruch auf die Entdeckung eines Top-Quarks erheben, dessen Masse fast 200-mal schwerer als ein Proton ist. Das ist richtig: Während die Auf- und Ab-Quarks kaum dazu beitragen, ein Proton zu einem Proton zu machen, kann der Top-Quark problemlos ganze Atome mit Leichtigkeit auf den Körper schlagen.
Betritt die Higgs
Der Top-Quark ist etwa 100 Billionen Mal schwerer als der Up-Quark. Das ist schön. Aber wieso? Warum haben die Quarks eine so große Reichweite in Massen?
Hier kommt das Higgs-Boson ins Spiel. Das Higgs-Boson ist mit einem Feld verbunden (das Higgs-Feld, ähnlich dem elektromagnetischen Feld), das die gesamte Raumzeit durchdringt, wie ein unsichtbarer Klebstoff, der das Universum füllt. Andere fundamentale Teilchen wie Elektronen, Neutrinos und Quarks müssen durch dieses Feld schwimmen, um von Ort zu Ort zu gelangen. Die Tatsache, dass die fundamentalen Teilchen das Higgs-Feld nicht ignorieren können, ist (durch verschiedene und verschiedene mathematische Methoden) genau der Grund, warum sie Masse haben.
Ah, also ein Hinweis. Wenn das Higgs irgendwie mit dem Konzept der Masse verbunden ist und der obere Quark mit Abstand der schwerste der Quarks ist, müssen das Higgs-Boson und der obere Quark sein Beste von Freunden.
Und so wurde der Top-Quark im Laufe der Jahre zu einem Tor zu unserem Verständnis der Higgs, und wir hoffen, dass wir durch weitere Untersuchung der Higgs selbst einige Perspektiven auf die mysteriös große Masse des Top-Quarks erhalten können.
Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei Die Ohio State University, Gastgeber von Fragen Sie einen Raumfahrer und Weltraumradiound Autor von Dein Platz im Universum.
