Så det finns dessa saker som kallas kvarkar. (Jag vet, jag önskar att de hade ett bättre namn, men jag ansvarar inte för att namnge saker inom fysik.) Quarks är små teensiga små partiklar (vi får exakt hur små i lite) som är grundläggande byggstenar av materia. Så långt vi kan veta, är kvarkarna i sig inte gjorda av något mindre. Det kan förändras i framtiden när vi lär oss mer, men det är tillräckligt bra för nu.
Det finns sex slags kvarkar, var och en med olika men lika udda namn: upp, ner, topp, botten, konstigt och charm. Och trots sitt namn är den konstigaste av sextupleten faktiskt toppkvarken.
Låt oss gräva djupt.
Upp och ner värld
Överlägset, är de vanligaste kvarkarna du stöter på upp och ner. Det är de som buntas i tripletter för att bilda protoner (två upp och ned) och neutroner (två nedåt och en upp). För att bilda den välkända positiva laddningen av protonen och den neutrala laddningen på neutronen behöver kvarkerna fraktionsladdningar. Jag vet, det låter konstigt, men det är bara för att vi trodde att laddningen av protoner och elektroner var grundläggande. Det visar sig att vi hade fel. Uppkvarken har en laddning på plus två tredjedelar, medan den nedre kvarken sitter på minus en tredjedel.
Det som är ännu mer förvirrande med kvarkarna är att de är förvånansvärt lätta. Den övre kvarken är bara 0,2 procent av protonens massa, medan dess partner den nedre kvarken endast är cirka 0,5 procent av protonmassan. Så hur kan dessa mjuka partiklar lägga till massan på en rejäl proton?
Svaret är den kraft som binder kvarkar samman: den starka kärnkraften. Denna bindning mellan kvarkarna är bländigt stark - besegra den naturliga elektriska avstötningen av de liknande laddade kvarkarna. Och eftersom energi är samma sak som massa (tack, Einstein!) Beror protonens massa verkligen på limet och inte själva kvarkarna.
Bor på toppen
Inte alla kvarkarna är så stora. Men i världen av partikelfysik är stora dåliga nyheter. Att vara massiv är som att vara på toppen av ett högt, magert berg. Visst är vyerna fantastiska, men alla antydningar till en bris kommer att sänka dig till en mer stabil position. Och stabilt betyder litet - om du är en massiv partikel som lider av en instabilitet, kommer du snabbt att förvandlas till en dusch av dina mindre kusiner.
Det betyder att livet bara är peachy för upp och ner kvarkarna. De är de minsta; så även om de inte har fantastisk utsikt, riskerar de inte att falla från en existensiell klippa. De näst största kvarkarna, konstiga och charm, finns sällan i något stort överflöd i naturen. De är så massiva att de är svåra att tillverka till en början, och så snart de tillverkas av någon exotisk process förfaller de snabbt till något annat och lämnar efter sig något mer än ett minne.
Under ganska länge trodde fysiker att det bara fanns dessa fyra kvarkar - upp, ner, konstigt och charm. Men i början av 1970-talet började de misstänka på annat sätt genom att undersöka några sällsynta sönderfall som involverade kaoner (och återigen är jag inte ansvarig för att namnge saker. . För att förklara det konstiga förfallet som producerade dessa kaoner, måste teoretiker gissa på förekomsten av ett nytt par kvarkar, som de kallade topp och botten. Dessa nya kvarkar var mycket, mycket tyngre än de andra fyra (annars skulle vi sett dem nu).
När kvark nr 5 (botten) gick med i klubben för kända och uppmätta partiklar 1977 var tävlingen på väg att hitta den sjätte och den sista (den övre). Men problemet var att ingen hade någon aning om hur stort det var, vilket innebar att vi inte visste hur biffigare vi var tvungna att göra våra partikelacceleratorer innan vi kunde släppa ut en. Varje år uppgraderade grupper runt om i världen sina redskap, och varje år kom de upp och pressade massan på den då hypotetiska partikeln uppåt.
Det var inte förrän i februari 1995 som forskare vid Fermilab äntligen kunde göra anspråk på en upptäckt av en toppkvark med en massa som tippade vågen nästan 200 gånger tyngre än en proton. Det stämmer: Medan de upp och ner kvarkarna knappt gör något av arbetet med att göra en proton till en proton, kan den övre kvarken lätt smälla hela atomer med lätthet.
Ange Higgs
Den övre kvarken är cirka 100 biljoner gånger tyngre än upp-kvarken. Det är trevligt. Men varför? Varför har kvarkarna ett sådant enormt intervall i massor?
Det är här Higgs-bosonen kommer in. Higgs-bosonen är associerad med ett fält (Higgs-fältet, som liknar det elektromagnetiska fältet) som genomsyrar all rymdtid, som ett osynligt lim som fyller universum. Andra grundläggande partiklar, som elektroner och neutrinoer och kvarkar, måste simma genom detta fält för att gå från plats till plats. Själva det faktum att de grundläggande partiklarna inte kan ignorera Higgs-fältet är (genom olika och olika matematiker) just anledningen till att de har massa.
Ah, en ledtråd, då. Om Higgs på något sätt är anslutet till själva massbegreppet, och toppkvarken är långt ifrån den tyngsta av kvarkarna, måste Higgs-boson och toppkvark vara bäst av vänner.
Och så genom åren blev toppkvarken en gateway till vår förståelse av Higgs, och det är hoppas att vi med ytterligare studier av Higgs själv kan få några perspektiv på den mystiska stora massan av toppkvarken.
Paul M. Sutter är en astrofysiker på Ohio State University, värd av Fråga en Spaceman och Space Radio, och författare till Din plats i universum.
