אז יש את הדברים האלה שנקראים קווארקים. (אני יודע, הלוואי והיה להם שם טוב יותר, אבל אני לא אחראי על שמות של דברים בפיזיקה.) הקווארקים הם חלקיקים קטנים וקטנים (נוכל להגיע עד כמה קטנים בקצת) שהם אבני בניין יסודיות של החומר. ככל שנוכל לדעת, הקווארקים עצמם אינם עשויים מכלום קטן יותר. זה עשוי להשתנות בעתיד ככל שנלמד יותר, אבל זה מספיק טוב לעת עתה.
ישנם שישה סוגים של קווארקים, שלכל אחד מהם שמות שונים אך מוזרים לא פחות: למעלה, למטה, למעלה, למטה, מוזר וקסם. ולמרות שמו, המוזר ביותר מבין sextuplets הוא למעשה הקווארק העליון.
בואו נחפור עמוק.
עולם הפוך
ללא ספק, הקווארקים הנפוצים ביותר שתתקלו בהם הם אלה העליונים והמטה. הם אלו שמתאגדים זה בזה בשלישיות ליצירת פרוטונים (שני עליות ומטה) ונויטרונים (שני ירידות ומעלה). כדי ליצור את המטען החיובי המוכר של הפרוטון ואת המטען הנייטרלי על הנויטרון, הקווארקים זקוקים למטענים שברים. אני יודע, זה נשמע מוזר, אבל זה רק בגלל שאנחנו חשבתי שהמטען של הפרוטונים והאלקטרונים היה בסיסי. מסתבר שטעינו. הקווארק המעלה יש מטען של פלוס שני שליש, ואילו הקווארק המטה יושב על מינוס שליש.
מה שמבלבל עוד יותר בקווארקים הוא שהם קלילים באופן מפתיע. הקווארק המעלה הוא רק 0.2 אחוז ממסת הפרוטון, ואילו בן זוגו הקווארק המטה הוא רק סביב 0.5 אחוז ממסת הפרוטון. אז איך החלקיקים הערפלים האלה יכולים להסתכם במסה של פרוטון חסון?
התשובה היא הכוח שקושר קוארקים יחד: הכוח הגרעיני החזק. הכריכה הזו בין הקווארקים היא חזקה באופן בבהיר - מביסה ידנית את הדחייה החשמלית הטבעית של הקווארקים הטעונים באופן דומה. ומכיוון שאנרגיה זהה למסה (תודה, איינשטיין!), מסת הפרוטון נובעת באמת מהדבק ולא מהקווארקים עצמם.
חי בחלקו העליון
לא כל הקווארקים גדולים כל כך. אבל בעולם של פיזיקת החלקיקים, חדשות הן חדשות רעות. להיות מסיבי זה כמו להיות בחלק העליון של הר גבוה ורזה. בטח, הנופים נהדרים, אבל כל רמז לבריזה יביא אותך למטה למצב יציב יותר. ויציב פירושו קטן - אם אתה חלקיק מאסיבי הסובל מחוסר יציבות, אתה מוצא את עצמך במהירות הופך למקלחת של בני הדודים הקטנים שלך.
זה אומר שהחיים הם פשוט אפרסקיים עבור הקווארקים העולים והמורידים. הם הקטנים ביותר; כך שלמרות שאין להם נופים נהדרים, הם לא בסכנת נפילה מצוק קיומי. הקווארקים הגדולים הבאים, מוזרים וקסומים, כמעט ולא נמצאים בשפע גדול בטבע. הם כל כך מאסיביים שקשה לייצר מלכתחילה, וברגע שהם מיוצרים בתהליך אקזוטי כלשהו, הם מתפרקים במהירות למשהו אחר ומשאירים אחריהם לא יותר מאשר זיכרון.
במשך זמן לא רב, פיזיקאים חשבו שיש רק ארבעת הקווארקים האלה - למעלה, למטה, מוזר וקסם. אבל בתחילת שנות השבעים, הם התחילו לחשוד אחרת על ידי בחינת כמה דעיונות נדירים הכרוכים בקאונים (ושוב, אני לא אחראי על שמות דברים. הקאון הוא צמד של קווארק מוזר וגם לא קווארק למעלה או למטה) . על מנת להסביר את הריקבון המוזר שייצר את הקאונים הללו, התיאורטיקנים נאלצו לנחש על קיומו של זוג קווארקים חדשים, שאותם כינו את החלק התחתון והתחתון. הקווארקים החדשים האלה היו הרבה יותר כבדים מארבעת האחרים (אחרת היינו רואים אותם עד עכשיו).
ברגע שהקווארק מספר 5 (התחתון) הצטרף למועדון החלקיקים הידועים והמדודים בשנת 1977, המירוץ עמד למצוא את השישי והאחרון (החלק העליון). אבל הבעיה הייתה שלאיש לא היה מושג כמה הוא גדול, כלומר לא ידענו עד כמה היינו חייבים להכין מאיצי החלקיקים שלנו לפני שנוכל לפוצץ אחד. מדי שנה שדרגו קבוצות ברחבי העולם את הציוד שלהן, וכל שנה הגיעו לקצרה, דוחפות את המסה של החלקיק ההיפותטי דאז כלפי מעלה.
רק בפברואר 1995 הצליחו החוקרים ב"פרמילאב "סוף סוף לטעון לגילוי של קווארק עליון עם מסה שמטה את הכף כמעט פי 200 יותר מאשר פרוטון. זה נכון: בעוד שהקווארקים העליונים והמטה בקושי מבצעים את כל העבודה של הפיכת פרוטון לפרוטון, הקווארק העליון יכול בקלות לטרוק את האטומים השלמים בקלות.
היכנסו להיגס
הקווארק העליון הוא כ100- טריליון פעמים כבד יותר מהקווארק העילאי. זה נחמד. אבל למה? מדוע לקווארקים יש טווח כה עצום בהמונים?
כאן נכנס בוסון היגס. בוסון היגס קשור לשדה (שדה היגס, דומה לשדה האלקטרומגנטי) המחלחל לכל חלל-זמן, כמו דבק בלתי נראה הממלא את היקום. חלקיקים יסודיים אחרים, כמו אלקטרונים וניוטרינו וקווארקים, חייבים לשחות בשדה זה כדי לעבור ממקום למקום. עצם העובדה שחלקיקי היסוד אינם יכולים להתעלם משדה היגס היא (דרך מתמטיקה שונה ושונה) עצם הסיבה שיש להם מסה.
אה, אז רמז. אם ההיגס קשור איכשהו למושג המסה, והקווארק העליון הוא רחוק והכי כבד מהקווארקים, אז בוסון היגס והקווארק העליון צריכים להיות הטוב ביותר של חברים.
וכך לאורך השנים הקווארק העליון הפך לשער אחד להבנתנו את היגס, ומקווה שעם לימוד נוסף על היגס עצמו נוכל לקבל כמה נקודות מבט על המסה הגדולה והמסתורית של הקווארק העליון.
פול מ. סוטר הוא אסטרופיסיקאי ב אוניברסיטת מדינת אוהיו, מארח של תשאל איש חלל ו רדיו שטח, ומחבר מקומך ביקום.
