Tippkvark (topkvark): omadused, mass ja lagunemine
Tippkvark (topkvark): avasta selle erakordsed omadused, mass, lagunemine ja roll Higgsi ning fundamentaaljõudude uurimises — kiire, selge ja teaduspõhine ülevaade.
Tippkvarkid ehk tõekvarkid on praegu teadaolevalt kõige raskemad elementaarosakesed — see tähendab, et neid ei saa edaspidi jagada väiksemateks osakesteks. Nagu kõik kvarkid, on ka tippkvark fermion (spinniga 1/2) ja kannab värilaengut (kolme „värvi” olemasolu kvarkide kvantmehaanikas). Tema elektrilaeng on +2/3 e. Tippkvark suhtleb kõigi fundamentaaljõududega: elektromagnetilise, tugevaga (kromodünaamika), nõrga jõuga ja ka gravitatsiooniga (kuigi gravitatsiooniline efekt on elementaarosakeste tasemel äärmiselt nõrk).
Omadused
- Spinn: 1/2 (fermion).
- Elektrilaeng: +2/3 e.
- Värilaeng: tippkvarkidel on värilaeng (punane, roheline või sinine), nagu kõigil kvarkidel.
- Interaktsioonid: osaleb tugevas, nõrkas ja elektromagnetilises vastasmõjus ning mõjutab ka Higgs'i välja kaudu massi tekkimist.
- Kolmas fermionipõlvkond: tippkvark kuulub raskeimate kvarkide paaridesse kolmanda põlvkonna koos põhi- ehk b-kvargiga.
Mass
Tippkvargi mass on erakordselt suur kvarki kohta: kaasaegsed mõõtmised annavad massiks umbes 172–173 GeV/c² (tavalise märgistusena PDG väärtus ~172.76 GeV/c²). See vastab ligikaudu 3,1×10⁻²⁵ kg-le. Huviäratav võrdlus: ühe volframi aatomi mass (ligikaudu 184 aatomimassiühikut) on samataolisel massiskaalal, mistõttu öeldakse mõnikord populaarteaduslikult, et üks tippkvark kaalub ligikaudu nagu volframi aatom. Tippkvargi suur mass teeb temast olulise teguri standardmudeli täpsustes teoreetilistes arvutustes, näiteks Higgsi bosoni massile tehtavate täienduste puhul.
Lagunemine ja eluiga
Tippkvark on väga ebaalaline ja laguneb äärmiselt kiiresti. Peamine lagunemiskanali moodustab nõrka vastasmõju:
- t → W+ + b (tippkvark laguneb peamiselt põhjakvargiks b ja W-bosoniks); vastavalt CKM-matriitsile on see harva ka s- või d-kvargiks.
- t̄ → W- + b̄ (antitippkvargi analoogne lagunemine).
Branchingu suhe t → Wb on praktiliselt 100%, sest fermionide segunemised CKM-matriitsis teevad Vtb ≈ 1. Tippkvargi eluiga on ligikaudu 5×10⁻²⁵ s, mis on lühem kui tüüpiline hadroniseerumisaeg (~10⁻²⁴–10⁻²³ s). Sellepärast ei jõua top-kvark üldjuhul hadroniseeruda (st siduda teisi kvarke püsivateks hadroniteks) enne lagunemist — see teeb tippkvargist ainulaadse objekti, keda saab „näha” enne kvarkide sidumist.
Tekkimine ja avastamine
Tippkvarkke leiavad kontrollitud tingimustes kõrgenergiaga osakestekiirendid. Suurim panus uusandmetesse tuleb CERNi LHC-ilt, kus tipp- ja antitippkvarkke toodetakse peamiselt tugeva vastasmõju kaudu paare andes (tt̄-paarid). Lisaks esineb eraldi ka ühe tippkvargi tootmist (nn singles-top protsessid) nõrga vastasmõju kanalites (t- ja s-kanalid ning tW-produktsioon). Tippkvarki avastati esmakordselt 1995. aastal Fermilabi Tevatroni eksperimentides CDF ja D0.
Miks tippkvark on oluline?
- Tippkvargi suur mass tähendab, et tal on suur Yukawa-ühenduvus Higgs'i väljal — see teeb temast võtmetähtsusega osalise Higgsi-mehhanismi ja elektro‑nõrkade protsesside uurimisel.
- Kuna top ei hadroniseeru enne lagunemist, saab otseselt mõõta tema omadusi (nt spinnipöörised ja lagunemise kinemaatika) ilma hadroniseerumise keerukate mõjutusteta.
- Täpsed mõõtmised tippkvargi massist, laiusest ja tootmiskiirustest pakuvad ranget testi standardmudeli ennustustele ja võivad paljastada uusi füüsikaid või kõrvalekaldeid.
Kokkuvõte: tippkvark on erakordselt raske, lühikese elueaga kvark, mille omadused — suur mass, kiire lagunemine peamiselt W-b-kanalisse ning võimekus mõjutada Higgsi-füüsikat — teevad temast keskse teema tänapäeva osakestefüüsikas.
Kahe prootoni kokkupõrge tekitab top-kvarki ja top-antikvarki, mis seejärel kiiresti lagunevad teisteks asjadeks.
Küsimused ja vastused
K: Mis on tippkvargid?
V: Topkvarkid ehk tõekvarkid on kõige raskemad teadaolevad elementaarosakesed, mida ei saa jagada.
K: Kas kvarkid on elementaarosakesed?
V: Jah, kõik kvarkid on elementaarosakesed.
K: Milline on kvarkide spinn?
V: Kvarkid on fermionid, mis tähendab, et kaks neist ei saa olla korraga samas kohas ja nende spinn on 1/2.
K: Milliste fundamentaalsete jõududega suhtlevad tippkvarkid?
V: Tippkvarkid suhtlevad kõigi nelja fundamentaaljõuga, milleks on gravitatsioon, elektromagnetism, tugev jõud ja nõrk jõud.
K: Milleks lagunevad tippkvarkid tavaliselt?
V: Peaaegu alati lagunevad tippkvarkid alumiseks kvarkiks ja W-bosoniks, kuigi mõnikord võivad nad laguneda ka kummaliseks kvarkiks.
K: Kui raske on üks top-kvark?
V: Üks top-kvark kaalub umbes sama palju kui üks volframi aatom.
K: Kui kaua arvatakse, et top-kvarkid eksisteerivad?
V: Kahjuks arvatakse, et topkvarkid suudavad eksisteerida ainult 5x10-25 sekundit.