Så der er disse ting, der kaldes kvarker. (Jeg ved, jeg ville ønske, de havde et bedre navn, men jeg har ikke ansvaret for at navngive ting i fysik.) Quarks er små teensy små partikler (vi får nøjagtigt hvor små i en smule), der er grundlæggende byggesten af sagen. Så vidt vi kan sige, er kvarkerne i sig selv ikke lavet af noget mindre. Det kan ændre sig i fremtiden, når vi lærer mere, men det er godt nok for nu.
Der er seks slags kvarker, hver med forskellige, men lige så finurlige navne: op, ned, top, bund, underlig og charme. Og på trods af sit navn er det underligste af sextupletter faktisk den øverste kvark.
Lad os grave dybt.
Omvendt verden
Langt de mest almindelige kvarker du støder på er op og ned dem. Det er dem, der samles i tripletter for at danne protoner (to op og en ned) og neutroner (to nedture og en op). For at danne den velkendte positive ladning af protonen og den neutrale ladning på neutronen, har kvarkerne brug for fraktionerede ladninger. Jeg ved, det lyder underligt, men det er kun fordi vi tanke at ladningen af protoner og elektroner var grundlæggende. Det viser sig, vi tog fejl. Den øverste kvark har en afgift på plus to tredjedele, mens den nedre kvark sidder på minus en tredjedel.
Hvad der er endnu mere forvirrende ved kvarkerne er, at de er overraskende lette. Den øverste kvark er kun 0,2 procent af protonmassen, mens dens partner den nedre kvark kun er omkring 0,5 procent af protonmassen. Så hvordan kan disse uklare partikler tilføje massen af en heftig proton?
Svaret er den styrke, der binder kvarker sammen: den stærke atomkraft. Denne binding blandt kvarkerne er lysende stærk - let besejre den naturlige elektriske frastødelse af de lignende ladede kvarker. Og da energi er den samme ting som masse (tak, Einstein!), Skyldes protonens masse virkelig limen og ikke selve kvarkerne.
Bor på toppen
Ikke alle kvarkerne er så store. Men i verden af partikelfysik er store dårlige nyheder. At være massiv er som at være øverst på et højt, tyndt bjerg. Sikker på, udsigterne er store, men ethvert antydning af en leg vil sende dig til at falde ned til en mere stabil position. Og stabil betyder lille - hvis du er en massiv partikel, der lider af en ustabilitet, finder du dig hurtigt forvandlet til et brusebad af dine mindre kusiner.
Det betyder, at livet bare er fersk for de op- og nedadgående kvarker. De er de mindste; så selvom de ikke har en fantastisk udsigt, er de ikke i nogen fare for at falde fra en eksistentiel klippe. De næste største kvarker, mærkelig og charme, findes sjældent i nogen stor overflod i naturen. De er så massive, at de er svære at fremstille i første omgang, og så snart de fremstilles ved en eller anden eksotisk proces, forfalder de hurtigt til noget andet og efterlader intet mere end en hukommelse.
I ganske lang tid troede fysikere, at der kun var disse fire kvarker - op, ned, mærkelig og charme. Men i de tidlige 1970'ere begyndte de at mistænke andet på grund af at undersøge nogle sjældne forfald, der involverede kaoner (og igen, jeg har ikke ansvaret for at navngive ting. Kaon er en duo af en underlig kvark og enten en op eller en ned kvark) . For at forklare det underlige forfald, der producerede disse kaoner, måtte teoretikere gætte på eksistensen af et nyt par kvarker, som de kaldte toppen og bunden. Disse nye kvarker var meget, meget tungere end de andre fire (ellers ville vi have set dem nu).
Da kvark nr. 5 (bunden) tiltrådte klubben af kendte og målte partikler i 1977, var løbet på at finde den sjette og sidste ende (toppen). Men problemet var, at ingen havde nogen idé om, hvor stort det var, hvilket betyder, at vi ikke vidste, hvor kødere vi var nødt til at lave vores partikelacceleratorer, før vi kunne sprænge en ud. Hvert år opgraderede grupper rundt om i verden deres redskaber, og hvert år kom de kort op, og pressede massen af den daværende hypotetiske partikel nogensinde opad.
Det var først i februar 1995, at forskere ved Fermilab endelig kunne påberåbe sig en opdagelse af et topkvark med en masse, der vipper skalaerne næsten 200 gange tungere end en proton. Det er rigtigt: Mens de op- og nedadgående kvarker næppe gør noget af arbejdet med at gøre en proton til en proton, kan den øverste kvark nemt smadre hele atomer med kroppen.
Gå ind i Higgs
Den øverste kvark er ca. 100 billioner gange tungere end den op-kvark. Det er godt. Men hvorfor? Hvorfor har kvarkerne en sådan enorm rækkevidde i masser?
Det er her Higgs-bosonen kommer ind. Higgs-bosonen er forbundet med et felt (Higgs-feltet, slags som det elektromagnetiske felt), der gennemsyrer hele rum-tid, som en usynlig lim, der fylder universet. Andre grundlæggende partikler, som elektroner og neutrinoer og kvarker, skal svømme gennem dette felt for at gå fra sted til sted. Selve det faktum, at de grundlæggende partikler ikke kan ignorere Higgs-feltet, er (gennem forskellige og diverse matematikker) selve grunden til, at de har masse.
Ah, en anelse, så. Hvis Higgs på en eller anden måde er forbundet med selve massebegrebet, og den øverste kvark er langt og væk den tyngste af kvarkerne, skal Higgs-bosen og den øverste kvark være bedst af venner.
Og så i årenes løb blev topkvarken en indgangsport til vores forståelse af Higgs, og det er håbet, at vi med yderligere undersøgelse af selve Higgs kan få nogle perspektiver på den mystiske store masse af topkvarken.
Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vært for Spørg en Spaceman og Space Radio, og forfatter af Dit sted i universet.
