Er zijn dus dingen die quarks worden genoemd. (Ik weet het, ik wou dat ze een betere naam hadden, maar ik ben niet verantwoordelijk voor het benoemen van dingen in de natuurkunde.) Quarks zijn kleine piepkleine kleine deeltjes (we zullen precies zo klein worden) die fundamentele bouwstenen zijn van materie. Voor zover we weten, zijn quarks zelf niet gemaakt van iets kleins. Dat kan in de toekomst veranderen naarmate we meer leren, maar het is goed genoeg voor nu.
Er zijn zes soorten quarks, elk met verschillende maar even eigenzinnige namen: omhoog, omlaag, boven, onder, vreemd en charme. En ondanks zijn naam is de vreemdste van de sextuplets eigenlijk de bovenste quark.
Laten we diep graven.
Ondersteboven wereld
Verreweg de meest voorkomende quarks die je tegenkomt zijn die op en neer. Zij zijn degenen die zich in drielingen bundelen om protonen (twee ups en een down) en neutronen (twee downs en een up) te vormen. Om de bekende positieve lading van het proton en de neutrale lading op het neutron te vormen, hebben de quarks fractionele ladingen nodig. Ik weet het, dat klinkt raar, maar dat komt alleen omdat wij gedachte dat de lading van protonen en elektronen fundamenteel was. Blijkt dat we het mis hadden. De up-quark heeft een lading van plus tweederde, terwijl de down-quark min een derde zit.
Wat nog meer verwarrend is aan de quarks, is dat ze verrassend licht zijn. De up-quark is slechts 0,2 procent van de massa van het proton, terwijl zijn partner de down-quark slechts ongeveer 0,5 procent van de protonmassa is. Dus hoe kunnen deze magere deeltjes oplopen tot de massa van een flink proton?
Het antwoord is de kracht die quarks aan elkaar bindt: de sterke atoomkracht. Deze binding tussen de quarks is schandalig sterk en verslaat handig de natuurlijke elektrische afstoting van de vergelijkbaar geladen quarks. En aangezien energie hetzelfde is als massa (bedankt, Einstein!), Is de massa van het proton echt te wijten aan de lijm, en niet aan de quarks zelf.
Wonen op de top
Niet alle quarks zijn zo groot. Maar in de wereld van de deeltjesfysica is groot slecht nieuws. Massief zijn is alsof je op de top van een hoge, magere berg bent. Natuurlijk, de uitzichten zijn geweldig, maar een vleugje wind zal je naar een stabielere positie laten zakken. En stabiel betekent klein - als je een enorm deeltje bent dat aan instabiliteit lijdt, merk je dat je snel verandert in een douche van je kleinere neven.
Dat betekent dat het leven gewoon peachy is voor de op en neer quarks. Ze zijn de kleinste; dus hoewel ze geen geweldig uitzicht hebben, zijn ze niet in gevaar om van een existentiële klif te vallen. De op een na grootste quarks, vreemd en charmant, worden zelden in grote hoeveelheden in de natuur gevonden. Ze zijn zo enorm dat ze in de eerste plaats moeilijk te maken zijn, en zodra ze zijn vervaardigd door een exotisch proces, vervallen ze snel in iets anders en laten ze niets meer achter dan een herinnering.
Een tijdje dachten natuurkundigen dat er alleen deze vier quarks waren: omhoog, omlaag, vreemd en charmant. Maar in het begin van de jaren zeventig begonnen ze anders te vermoeden door enkele zeldzame vervalstochten met kaons te onderzoeken (en nogmaals, ik ben niet verantwoordelijk voor het benoemen van dingen. De kaon is een duo van een vreemde quark en ofwel een up- of een down-quark) . Om het vreemde verval te verklaren dat deze kaons veroorzaakte, moesten theoretici gissen naar het bestaan van een nieuw paar quarks, dat ze de boven- en onderkant noemden. Deze nieuwe quarks waren veel, veel zwaarder dan de andere vier (anders hadden we ze nu wel gezien).
Toen quark nr. 5 (de bodem) zich in 1977 bij de club van bekende en gemeten deeltjes voegde, ging de race op zoek naar de zesde en laatste (de top). Maar het probleem was dat niemand enig idee had hoe groot het was, wat betekent dat we niet wisten hoe zwaarder we onze deeltjesversnellers moesten maken voordat we er een uit konden halen. Elk jaar verbeterden groepen over de hele wereld hun uitrusting, en elk jaar kwamen ze tekort, waardoor de massa van het toen hypothetische deeltje steeds hoger werd.
Pas in februari 1995 konden onderzoekers van Fermilab eindelijk aanspraak maken op de ontdekking van een top-quark met een massa die bijna 200 keer zwaarder is dan een proton. Dat klopt: terwijl de op-en-neer-quarks nauwelijks het werk doen om van een proton een proton te maken, kan de top-quark gemakkelijk hele atomen met gemak body-slammen.
Voer de Higgs in
De top-quark is ongeveer 100 biljoen keer zwaarder dan de up-quark. Dat is leuk. Maar waarom? Waarom hebben de quarks zo'n enorm scala aan massa's?
Dit is waar het Higgs-deeltje binnenkomt. Het Higgs-deeltje wordt geassocieerd met een veld (het Higgs-veld, een beetje zoals het elektromagnetische veld) dat de hele ruimtetijd doordringt, als een onzichtbare lijm die het universum vult. Andere fundamentele deeltjes, zoals elektronen en neutrino's en quarks, moeten door dit veld zwemmen om van plaats naar plaats te gaan. Het feit dat de fundamentele deeltjes het Higgs-veld niet kunnen negeren, is (door middel van verschillende en diverse wiskunde) juist de reden dat ze massa hebben.
Ah, een idee dan. Als de Higgs op de een of andere manier verbonden is met het concept van massa, en de top-quark is verreweg de zwaarste van de quarks, dan moeten het Higgs-deeltje en de top-quark zijn het beste van vrienden.
En zo werd de top-quark in de loop der jaren een toegangspoort tot ons begrip van de Higgs, en we hopen dat we met verdere studie van de Higgs zelf een aantal perspectieven kunnen krijgen op de mysterieus grote massa van de top-quark.
Paul M. Sutter is astrofysicus bij De Ohio State University, gastheer van Vraag een Spaceman en Space Radio, en auteur van Jouw plaats in het universum.
