Topkvarks (augšējais kvarks): īpašības, masa un sadalīšanās
Uzzini visu par topkvarku — tā īpašībām, masu, ātro sadalīšanos un saikni ar Higsa bozonu. Fakti, mērījumi un nozīme mūsdienu daļiņu fizikā.
Top kvarki jeb patiesības kvarki ir vissmagākās zināmās elementārdaļiņas (daļiņas, kas ir tik mazas, ka tās nevar sadalīt). Visas šīs daļiņas pieder kvarku familijai, un, tā kā tās ir kvarki un fermioni, tām ir pusvesela griešanās momenta vērtība — spins 1/2: tas nozīmē, ka divas identiskas daļiņas nevar aizņemt vienu un to pašu kvantu stāvokli. Top kvarks nēsā krāsvienību (krāsu lādiņu) un mijiedarbojas ar visiem četriem fundamentālajiem spēkiem — gravitāciju, elektromagnētismu, spēcīgo spēku un vājo spēku. Parasti top kvarks sadalās par apakšējā kvarkā un W bozonā, lai gan reti tas var sadalīties arī par dīvainā kvarkā, ja tas atbilst kvantu mehānikas varbūtībām un CKM matricas elementiem.
Masa un izmēri
Top kvarka masa ir ārkārtīgi liela salīdzinājumā ar pārējiem fundamentālajiem daļiņu veidiem: tās eksperimentāli noteiktā vērtība ir aptuveni 173 GeV/c² (apmēram 1,9–3,1×10⁻²⁵ kg, atkarībā no precīzās pārrēķina konstantēm). Tas ir aptuveni tikpat, cik viens volframa atoms, tāpēc bieži izmanto šādu salīdzinājumu, lai uzsvērtu top kvarka lielo masu. Top kvarka liela masa padara to īpaši nozīmīgu elementārdaļiņu teorijā — it īpaši saistībā ar Higsu lauku un masas rašanās mehānismu, jo top kvarka Yukawa mijiedarbība ar Higsa lauku ir ļoti spēcīga.
Sadalīšanās un dzīves ilgums
Top kvarks ir ļoti īslaicīgs — tā dzīves ilgums ir aptuveni 5×10⁻²⁵ sekundes. Šī īsā dzīve nozīmē, ka top kvarks parasti nespēj hadronizēties (veidot mezonus vai barjonus) pirms sadalīšanās, kas padara to vienīgo kvarku, kura īpašības tieši novēro caur tās sabrukuma produktiem. Visbiežāk sastopamais sabrukuma kanāls ir t → W + b (top → W bozonu + apakšējais/bottom kvarks) — CKM matricas elements V_tb ir gandrīz 1, tāpēc vairāk nekā 99% top kvarku sadalās šādā veidā. Retākie kanāli ietver sadalīšanos par s (dīvainais) vai d (apakšējais/zemākais) kvarkiem, bet tie ir faktoriāli samazināti.
Ražošana un detektēšana
Top kvarki tiek ražoti augstas enerģijas sadursmēs, piemēram, protonu–protonu sadursmēs Lielajā hadronu šķērsgriezumā (LHC) un agrāk — protonu–anti-protonu sadursmēs Tevatronā, kur 1995. gadā tos pirmo reizi pierādīja eksperimentāli CDF un DØ sadarbības. Top kvarku ražošana var notikt pāru veidā caur spēcīgo mijiedarbību (t t̄ pāri) vai kā vienots top kvarks, izmantojot vājo mijiedarbību (vienkāršais top). Eksperimentā top kvarka īpašības nosaka, rekonstruējot tās sabrukuma produktus — W bozoni (kas tālāk sadalās leptonos vai hadronos) un b kvarku jets — un izmantojot kinemātiskas atbilstības un statistiskās metodes, lai izvilktu top masas un šķērsgriezuma vērtības.
Fizikālā nozīme
Top kvarks ir svarīgs gan standarta modeļa precizēšanā, gan meklējumos pēc jaunām fizikas norisēm. Tā liela masa ievērojami ietekmē radiālās korekcijas Higsa lauka potenciālam, un kopā ar Higsa masas mērījumiem top masas precizitāte palīdz novērtēt Visuma vakuma stabilitāti (vai metastabilitāti). Tāpat top kvarka īpašības, piemēram, spins, polarizācija un sadalīšanās amplitūdas, ir tests standarta modeļa prognozēm un potenciāls atklāt jaunas mijiedarbības vai neatbilstības. Lielās sadursmju mašīnas — ATLAS un CMS eksperimenti LHC — turpina precizēt top kvarka īpašības un meklēt iespējamus izmaiņu signālus.
Kopsavilkums: top kvarks ir smagākais zināmais kvarks ar spinu 1/2, elektrisko lādiņu +2/3e un ļoti īsu dzīves ilgumu (~5×10⁻²⁵ s). Tas parasti sadalās par apakšējo (bottom) kvarku un W bozonu, un tā liela masa padara to centrālu daudzu jaunāko teorētisko un eksperimentālo pētījumu kontekstā.
Diviem protoniem saduroties vienam ar otru, rodas topkvārks un topantikvārks, kas pēc tam ātri sadalās vēl citos elementos.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir top kvarki?
A: Topkvarki jeb patiesības kvarki ir vissmagākās zināmās elementārdaļiņas, kuras nevar sadalīt.
J: Vai kvarki ir elementārās daļiņas?
A: Jā, visi kvarki ir elementārdaļiņas.
J: Kāds ir kvārku spins?
A: Kvarki ir fermioni, kas nozīmē, ka divi kvarki nevar eksistēt vienlaicīgi vienā un tajā pašā vietā, un to spins ir 1/2. Kvarku spins nav nekāds.
J: Ar kādiem fundamentālajiem spēkiem mijiedarbojas top kvarki?
A: Topkvarki mijiedarbojas ar visiem četriem fundamentālajiem spēkiem - gravitāciju, elektromagnētismu, spēcīgo spēku un vājo spēku.
J: Par ko parasti sadalās top kvarki?
A: Gandrīz vienmēr top kvarki sadalās apakšējā kvarkā un W bozonā, lai gan dažreiz tie var sadalīties dīvainā kvarkā.
J: Cik smags ir viens topkvarks?
A: Viens topkvarks sver apmēram tikpat, cik viens volframa atoms.
Jautājums: Cik ilgi, domājams, eksistē top kvarki?
A: Diemžēl tiek uzskatīts, ka top kvarki var pastāvēt tikai 5x10-25 sekundes.
Meklēt