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为什么物理学家对夸克感兴趣?

夸克是很小的微小颗粒(我们将精确地缩小到很小)是基本的构建基块。问题。据我们所知,夸克本身并不是由任何较小的东西构成的。随着我们了解的更多,将来可能会改变,但现在已经足够了。

我们已知的夸克有六种。夸克的种类被称为“味”,它们是上(u)、下(d)、奇(s)、粲(c)、底(b)及顶(t)。尽管它的名字如此,但最奇怪的六胞胎实际上是夸克。

颠倒的世界

到目前为止,你将遇到的最常见的夸克是上下夸克。它们是将三重态捆绑在一起以形成质子(两个上夸克和一个下夸克)和中子(两个下夸克和一个上夸克)的装置。为了形成质子熟悉的正电荷和中子的中性电荷,夸克需要分数电荷。这听起来很奇怪,但这只是因为我们认为质子和电子的电荷是基本的。原来,我们错了。上夸克的电荷为正三分之二,而下夸克的电荷为负三分之一。

夸克更令人困惑的是它们令人惊讶地轻。上夸克仅占质子质量的0.2%,而其下夸克仅占质子质量的0.5%。那么,这些细微的颗粒又如何加起来成为一个重质量的质子呢?

答案是将夸克结合在一起的力量:强大的核力量。夸克之间的结合力非常强-轻松击败了类似电荷的自然电斥力。而且由于能量与质量是相同的东西,所以质子的质量实际上是由于胶子引起的,而不是夸克本身。

生活在山顶

并非所有夸克都那么大。但是在粒子物理学的世界里,大是坏消息。庞大就像是站在一座高大而瘦小的山顶上。当然,风景很棒,但是微风的吹拂都会使您跌倒至更稳定的位置。稳定意味着很小-如果您是遭受不稳定的巨大粒子,则很快会发现自己变成了小表兄弟的阵雨。

这意味着,对于上下夸克来说,生活只是个桃子。它们是最小的。因此,尽管他们的视野不佳,但他们没有从存在的悬崖上掉下来的危险。在自然界中,几乎没有发现下一个最大的夸克,奇特和迷人。它们的体积如此之大,以至于一开始就很难制造。一旦通过某种奇特的工艺制造出来,它们就会迅速腐烂成其他东西,只留下了记忆。

一段时间以来,物理学家认为只有这四个上(u)、下(d)、奇(s)、粲(c)。但是在1970年代初期,他们开始通过检查一些罕见的涉及kaon的衰变开始怀疑(同样,我不负责命名。kaon是一个夸克和一个上下夸克的二重奏) 。为了解释产生这些钾离子的怪异衰变,理论家不得不猜测是否存在一对新的夸克,它们被称为上和下。这些新的夸克要比其他四个夸克要重得多(否则,我们现在已经可以看到它们了)。

1977年,第5夸克(底)加入了已知的,可测量的粒子俱乐部之后,比赛就开始了,寻找第六个也是最后一个(顶)。但是问题在于,没人知道它有多大,这意味着我们不知道在制造出粒子加速器之前我们必须制造出多么强大的粒子加速器。每年,世界各地的团体都在升级自己的装备,而且每年他们都做不到,从而将当时假设的粒子的质量不断提高。

直到1995年2月,费米实验室的研究人员才终于有理由声称发现了一个顶夸克,其质量是质子的近200倍。没错:虽然上下夸克构成质子,但顶夸克可以轻松地对整个原子进行猛击。

输入希格斯

顶夸克比上夸克重约100万亿倍。为什么夸克的质量范围如此之大?

这就是希格斯玻色子进入的地方。希格斯玻色子与一个贯穿整个时空的场(希格斯场,有点像电磁场)相关联,就像填充宇宙的隐形胶水一样。其他基本粒子,例如电子,中微子和夸克,必须游遍该场才能从一个地方移动到另一个地方。基本粒子不能忽略希格斯场的事实(通过各种数学方法)是它们具有质量的原因。

啊,那么,一个线索。如果希格斯以某种方式与质量这个概念联系在一起,而顶级夸克远非最重的夸克,那么希格斯玻色子和顶级夸克一定是最好的朋友。

因此,这些年来,顶夸克成为我们了解希格斯的一个途径,并希望通过进一步研究希格斯本身,我们可以对顶夸克的神秘大质量有所了解。

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