Quindi ci sono queste cose chiamate quark. (Lo so, vorrei che avessero un nome migliore, ma non sono incaricato di nominare le cose in fisica.) I quark sono piccole particelle piccolissime (arriveremo esattamente a quanto piccole in un po ') che sono elementi fondamentali Della materia. Per quanto ne sappiamo, i quark stessi non sono fatti di nulla di più piccolo. Questo potrebbe cambiare in futuro man mano che impareremo di più, ma per ora è abbastanza buono.
Esistono sei tipi di quark, ognuno con nomi diversi ma ugualmente stravaganti: su, giù, alto, basso, strano e affascinante. E nonostante il suo nome, il più strano dei sestuplet è in realtà il quark top.
Scaviamo in profondità.
Mondo capovolto
Di gran lunga i quark più comuni che incontrerai sono quelli su e giù. Sono quelli che si raggruppano in triplette per formare protoni (due alti e bassi) e neutroni (due bassi e un alto). Per formare la carica positiva familiare del protone e la carica neutra sul neutrone, i quark hanno bisogno di cariche frazionarie. Lo so, sembra strano, ma è solo perché noi pensiero che la carica di protoni ed elettroni era fondamentale. Si scopre che ci siamo sbagliati. Il quark up ha una carica di oltre due terzi, mentre il quark down è seduto a meno un terzo.
La cosa ancora più confusa dei quark è che sono sorprendentemente leggeri. Il quark up è solo lo 0,2 percento della massa del protone, mentre il suo partner il quark down è solo circa lo 0,5 percento della massa protonica. Quindi, come possono queste particelle morbide sommarsi alla massa di un pesante protone?
La risposta è la forza che unisce i quark: la forte forza nucleare. Questo legame tra i quark è palesemente forte: sconfigge facilmente la repulsione elettrica naturale dei quark caricati in modo simile. E poiché l'energia è la stessa cosa della massa (grazie, Einstein!), La massa del protone è in realtà dovuta alla colla, e non ai quark stessi.
Vivere al top
Non tutti i quark sono così grandi. Ma nel mondo della fisica delle particelle, le grandi sono cattive notizie. Essere massicci è come essere in cima a una montagna alta e magra. Certo, i panorami sono fantastici, ma qualsiasi accenno di brezza ti farà cadere in una posizione più stabile. E stabile significa piccolo: se sei una particella enorme che soffre di instabilità, ti ritrovi rapidamente a trasformarti in una doccia dei tuoi cugini più piccoli.
Ciò significa che la vita è solo peachy per i quark up e down. Sono i più piccoli; quindi mentre non hanno una vista meravigliosa, non corrono il rischio di cadere da una scogliera esistenziale. I successivi quark più grandi, strani e affascinanti, si trovano raramente in qualsiasi grande abbondanza in natura. Sono così enormi che sono difficili da realizzare in primo luogo, e non appena vengono fabbricati con un processo esotico, si decompongono rapidamente in qualcos'altro, lasciandosi dietro nient'altro che un ricordo.
Per un bel po ', i fisici hanno pensato che esistessero solo questi quattro quark: su, giù, strano e affascinante. Ma all'inizio degli anni '70, hanno iniziato a sospettare diversamente esaminando alcuni rari decadimenti che coinvolgono i kaon (e ancora una volta, non sono incaricato di nominare le cose. Il kaon è un duo di uno strano quark e o un quark up o down) . Per spiegare lo strano decadimento che ha prodotto questi kaon, i teorici hanno dovuto indovinare l'esistenza di una nuova coppia di quark, che hanno soprannominato in alto e in basso. Questi nuovi quark erano molto, molto più pesanti degli altri quattro (altrimenti ormai li avremmo visti).
Una volta che il quark n. 5 (in basso) si unì al club di particelle conosciute e misurate nel 1977, la gara iniziò a trovare la sesta e ultima (la cima). Ma il problema era che nessuno aveva idea di quanto fosse grande, il che significa che non sapevamo quanto avessimo dovuto rafforzare i nostri acceleratori di particelle prima che potessimo farne uscire uno. Ogni anno, gruppi di tutto il mondo hanno aggiornato le loro attrezzature, e ogni anno sono venuti meno, spingendo la massa della particella allora ipotetica verso l'alto.
Fu solo nel febbraio 1995 che i ricercatori di Fermilab riuscirono finalmente a sostenere una scoperta di un quark top con una massa che inclinava la bilancia quasi 200 volte più pesante di un protone. Proprio così: mentre i quark up e down fanno a malapena il lavoro di trasformare un protone in un protone, il quark top può facilmente colpire con facilità interi atomi.
Inserisci l'Higgs
Il quark top è circa 100 trilioni di volte più pesante del quark up. Bello. Ma perché? Perché i quark hanno una gamma così vasta di masse?
Qui entra in gioco il bosone di Higgs. Il bosone di Higgs è associato a un campo (il campo di Higgs, un po 'come il campo elettromagnetico) che permea tutto lo spazio-tempo, come una colla invisibile che riempie l'universo. Altre particelle fondamentali, come elettroni, neutrini e quark, devono nuotare attraverso questo campo per spostarsi da un posto all'altro. Il fatto stesso che le particelle fondamentali non possano ignorare il campo di Higgs è (attraverso vari e vari tipi di matematica) la vera ragione per cui hanno massa.
Ah, un indizio, quindi. Se l'Higgs è in qualche modo collegato al concetto stesso di massa, e il quark top è di gran lunga il più pesante dei quark, allora il bosone di Higgs e il quark top devono essere migliore di amici.
E così, nel corso degli anni, il quark top è diventato una porta per la nostra comprensione degli Higgs, e si spera che con ulteriori studi sugli Higgs stessi possiamo ottenere alcune prospettive sulla massa misteriosamente grande del quark top.
Paul M. Sutter è un astrofisico a La Ohio State University, ospite di Chiedi a un astronauta e Space Radioe autore di Il tuo posto nell'universo.
