Jadi ada perkara-perkara ini dipanggil kuark. (Saya tahu, saya harap mereka mempunyai nama yang lebih baik, tetapi saya tidak bertanggungjawab untuk menamakan sesuatu dalam fizik.) Quarks adalah zarah kecil kecil yang kecil (kita akan mendapat betapa kecilnya) yang merupakan blok bangunan asas daripada perkara. Setakat yang dapat kita katakan, quarks sendiri tidak dibuat dari apa-apa yang lebih kecil. Itu mungkin berubah pada masa akan datang seperti yang kita pelajari lebih banyak, tetapi ia cukup baik untuk sekarang.
Terdapat enam jenis quark, masing-masing dengan nama yang berbeza tetapi sama-sama unik: atas, bawah, atas, bawah, aneh dan pesona. Dan walaupun namanya, yang paling pelik sekstuplets sebenarnya adalah quark teratas.
Mari menggali jauh.
Dunia terbalik
Setakat ini, kuark yang paling biasa yang akan anda hadapi adalah yang naik dan turun. Mereka adalah orang yang ikut bersama dalam triplet untuk membentuk proton (dua naik dan turun) dan neutron (dua turun dan naik). Untuk membentuk tuduhan positif terhadap proton dan caj neutral terhadap neutron, quarks memerlukan caj fraksional. Saya tahu, itu berbunyi aneh, tetapi itu hanya kerana kita berfikir bahawa tuduhan proton dan elektron adalah asas. Ternyata, kami salah. Kuark atas mempunyai caj ditambah dua pertiga, manakala quark bawah duduk pada minus satu pertiga.
Apa yang lebih membingungkan mengenai kuark adalah bahawa mereka menghairankan cahaya. Quark naik hanya 0,2 persen massa proton, sementara pasangannya quark bawah hanya sekitar 0.5 persen massa proton. Jadi, bagaimanakah zarah-zarah kecil ini boleh menambah jisim proton yang besar?
Jawapannya ialah kuasa yang mengikat quark bersama-sama: daya nuklear yang kuat. Ini mengikat antara kuark adalah sangat kuat - dengan mudah mengalahkan penolakan elektrik semulajadi kuark yang dikenakan sama. Dan kerana tenaga adalah perkara yang sama seperti massa (terima kasih, Einstein!), Jisim proton itu benar-benar disebabkan oleh gam itu, dan bukan quarks itu sendiri.
Hidup di atas
Tidak semua kuark yang besar. Tetapi dalam dunia fizik zarah, besar adalah berita buruk. Menjadi besar adalah seperti berada di puncak gunung tinggi yang kurus. Pasti, pandangan yang hebat, tetapi apa-apa bentuk angin akan menghantar anda jatuh ke kedudukan yang lebih stabil. Dan stabil bermakna kecil - jika anda adalah zarah besar yang menderita ketidakstabilan, anda dengan cepat mendapati diri anda berubah menjadi pancuran sepupu kecil anda.
Itu bererti kehidupan hanya semangat untuk kuark atas dan ke bawah. Mereka adalah yang terkecil; jadi walaupun mereka tidak mempunyai pandangan yang hebat, mereka tidak berada dalam bahaya terjatuh di tebing eksistensial. Kuark terbesar berikutnya, pelik dan pesona, jarang ditemui dalam banyak kelebihan dalam alam semula jadi. Mereka begitu besar sehingga mereka sukar untuk membuatnya di tempat pertama, dan sebaik sahaja mereka dihasilkan oleh beberapa proses eksotik, mereka cepat meremehkan sesuatu yang lain, meninggalkan apa-apa yang lebih daripada memori.
Untuk beberapa ketika, ahli fizik menganggap terdapat hanya empat kuark ini - naik, turun, aneh dan pesona. Tetapi pada awal tahun 1970-an, mereka mula mengesyaki sebaliknya dengan memeriksa beberapa peletus yang jarang berlaku yang melibatkan kaon (dan sekali lagi, saya tidak bertanggungjawab untuk menamakan perkara-perkara. Kaon adalah dua quark aneh dan sama ada quark atau up) . Untuk menerangkan kerosakan pelik yang menghasilkan kaun ini, ahli teori terpaksa meneka kewujudan sepasang kuark baru, yang mereka sebut sebagai bahagian atas dan bawah. Quarks baru ini banyak, jauh lebih berat daripada empat yang lain (sebaliknya kita akan melihatnya sekarang).
Setelah quark No. 5 (bahagian bawah) menyertai kelab zarah yang diketahui dan diukur pada tahun 1977, perlumbaan itu telah menemui keenam dan terakhir (bahagian atas). Tetapi masalahnya adalah bahawa tiada siapa yang mempunyai idea berapa besarnya, bermakna kita tidak tahu bagaimana lebih baik kita perlu membuat pemecut zarah kita sebelum kita boleh keluar satu. Setiap tahun, kumpulan di seluruh dunia menaik taraf gear mereka, dan setiap tahun mereka menjadi pendek, mendorong massa zarah yang kemudian-hipotesis ke atas.
Tidak sampai bulan Februari 1995 para penyelidik di Fermilab akhirnya dapat menuntut suatu penemuan sebuah quark teratas dengan skala massa skala pada hampir 200 kali lebih berat daripada proton. Betul: Walaupun quark atas dan ke bawah nyaris tidak melakukan kerja proton proton, quark teratas boleh dengan mudah melumpuhkan seluruh atom dengan mudah.
Masukkan Higgs
Quark teratas adalah kira-kira 100 trilion kali lebih berat daripada quark up. Itu bagus. Tapi kenapa? Mengapa kuark mempunyai julat yang sangat besar di kalangan orang ramai?
Inilah tempat boson Higgs masuk. Boson Higgs dikaitkan dengan padang (bidang Higgs, seperti medan elektromagnetik) yang meresap semua ruang masa, seperti gam yang tidak kelihatan yang mengisi alam semesta. Zarah-zarah asas lain, seperti elektron dan neutrinos dan kuark, mesti berenang melalui medan ini untuk pergi dari satu tempat ke tempat. Fakta bahawa zarah-zarah asas tidak boleh mengabaikan bidang Higgs adalah (melalui pelbagai dan pelbagai matematik) sebab mereka mempunyai massa.
Ah, suatu petunjuk, kemudian. Jika Higgs entah bagaimana disambungkan kepada konsep yang sangat besar, dan quark teratas adalah jauh dan paling banyak kuark, maka boson Higgs dan quark teratas harus terbaik rakan.
Dan selama bertahun-tahun, quark teratas menjadi satu pintu masuk ke pemahaman kami mengenai Higgs, dan diharapkan dengan kajian lanjut mengenai Higgs itu sendiri, kita dapat memperoleh beberapa perspektif tentang misteri yang besar dalam kuark teratas.
Paul M. Sutter adalah ahli astrofizik di The Ohio State University, tuan rumah Tanya Spaceman dan Radio Angkasa, dan pengarang Tempat Anda di Semesta.
