Huippukvarkki

huippukvarkki
Symboli	t
Rakenne	Alkeishiukkanen
Perhe	Fermioni
Ryhmä	Kvarkit
Sukupolvi	Kolmas
Vuorovaikutus	Painovoima; Sähkömagneettinen; Vahva vuorovaikutus; Heikko vuorovaikutus[1]
Antihiukkanen	huippu-antikvarkki
Löydetty teoreettisesti	Makoto Kobayashi ja Toshihide Maskawa (1973)
Löydetty	Fermilab (1995)
Sähkövaraus	+⅔ e[1];
Värivaraus	on
Spin	½[1]
	Infobox OK

Huippukvarkki (engl. top-quark, true-quark) eli t-kvarkki, tosikvarkki on alkeishiukkanen ja yksi kuudesta kvarkkityypistä eli mausta.[2] Sitä vastaava antihiukkanen on huippu-antikvarkki. Huippukvarkki on kvarkeista selvästi raskain eikä se siksi muodosta lainkaan hadroneita. Huippukvarkkeja voidaan havaita vain tuottamalla huippukvarkin ja huippu-antikvarkin muodostamia pareja.

Ominaisuudet

Aivan kuten muillakin kvarkeilla, myös huippukvarkilla spin on 1/2 ja baryoniluku 1/3. Sen isospin I₃ on 0 ja sähkövaraus +2/3e. Sillä huippukvarkkiin liittyvä kvanttiluku totuus saa arvon +1. Huippukvarkki kuuluu samaan kvarkkiduplettiin pohjakvarkin kanssa.[3] Huippukvarkin massa on noin 173 000 MeV, mikä tekee siitä raskaimman tunnetun alkeishiukkasen.[4] Massa on suunnilleen yhtä suuri kuin kulta-atomin.[5] Se on noin 35 kertaa seuraavaksi raskainta kvarkkia, pohjakvarkkia, raskaampi ja noin 70 000 kertaa keveintä, ylöskvarkkia raskaampi.[6] Kolmesta kevyemmästä kvarkista muodostuva protoni on massaltaan vain noin ¹⁄₁₇₅ huippukvarkin massasta.[7] Huippukvarkki eroaa kaikista muista kvarkeista siinä, ettei se muodosta lainkaan hadroneita.[3] Tämä johtuu erittäin suuren massan aiheuttamasta tavattoman lyhyestä elinajasta. Huippu-kvarkin elinajaksi voidaan laskennallisesti osoittaa noin 4 · 10⁻²⁵ sekuntia, mikä on aivan liian lyhyt aika, jotta sidottuja hadronitiloja ehtisi muodostua. Tämä yhdessä suuren massan kanssa tekee sen kokeellisen havaitsemisen poikkeuksellisen haastavaksi.[6]

Tuottaminen ja hajoaminen

Huippu-kvarkki-antikvarkki-pari.

Koska huippukvarkki ei muodosta sidottuja tiloja, se on havaittava tuottamalla huippukvarkin ja huippu-antikvarkin muodostamia pareja. Huippukvarkki voi hajota suoraan sekä kvarkeiksi että välibosoneiksi, mutta käytännössä ainoa merkittävä hajoamisreitti on pohjakvarkiksi sekä W⁺-bosoniksi, jolloin antikvarkki hajoaa näiden antihiukkasiksi. Hajoaminen jatkuu saman tien pohjakvarkin hajotessa hadroneiksi ja W-bosonin hajotessa joko leptonipariksi tai kvarkki-antikvarkki-pareiksi, jotka muodostavat lisää hadroneita. Tämän seurauksena reaktio tuottaa lopulta runsaasti hadroneita ja leptoneita. Huippu-kvarkki-antikvarkki-parin yhteismassa on noin 360 GeV, joten parin tuottaminen ei onnistu enää elektroni-positroni-pareilla vaan vaatii protonien ja antiprotonien törmäyttämistä. Koska suurin osa törmäytettävän hiukkasen massasta muodostuu tällöin kvarkkien välisistä sidosenergioista, niihin sisältyvillä kvarkeilla itsellään on vain pieni osa koko hiukkasen energiasta ja liikemäärästä. On havaittu, että huippu-kvarkki-antikvarkki-parin muodostaminen vaatii käytännössä 1,8 TeVin energian.[6][8][9]

Suuren törmäysenergian vuoksi törmäyksessä muodostuu valtava määrä reaktioita, joissa erilaiset hadronit pääsevät muodostumaan suoraan ja hankaloittavat näin huippukvarkillisten reaktioiden havaitsemista. Huippukvarkin suuren massan vuoksi sen hajoamistuotteet saavat suuren liikemäärän, ja liikemäärän säilymisen vuoksi hajoamisprosessissa edelleen muodostuvat hadronit sinkoutuvat suihkumaisesti suuressa kulmassa alkuperäisen törmäytetyn protoni-antiprotoni-vuon suhteen. Etsintää voidaan tehostaa keskittymällä etsimään huippukvarkin pääasiallisena hajoamistuotteena syntyneen pohjakvarkin sisältäneitä reaktioita käyttämällä b-taggingiksi (pohja-taggingiksi) kutsuttua menetelmää.[6][8][9]

Tutkimus

Makoto Kobayashi ja Toshihide Maskawa ennustivat huippu- ja pohjakvarkkien olemassaolon vuonna 1973. He saivat työstään Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 2008.[10] Huippukvarkin olemassaolo saatiin osoitettua kokeellisesti Tevatronilla protoni-antiprotoni -törmäytyksessä vasta vuonna 1995,[11] yli 20 vuotta hiukkasen teoreettisen ennustamisen jälkeen.[6][12]

Lähteet

Schumm, Brian A.: Syvällä asioiden sydämessä: Hiukkasfysiikan kauneus. Suomentanut Kimmo Pietiläinen. The Johns Hopkins University Press, 2004. ISBN 952-5202-91-7.

Viitteet

Schumm 2004, s. 135
Tähtitiede:kvarkki – Tieteen termipankki tieteentermipankki.fi. Viitattu 17.3.2022.
Jukka Maalampi, Tapani Perko: Lyhyt modernin fysiikan johdatus, 4. korjattu painos, s. 184–187. Helsinki: Limes ry, 2006. ISBN 951-745-213-6. (suomeksi)
Lewis, Tanya: Top Quark: Mass of World's Heaviest Elementary Particle Found — Scientists have determined the mass of the heaviest elementary particle, the top quark. NBC News, 21.3.2014. Viitattu 11.4.2021. (englanniksi)
Weighing in on the top quark mass: ATLAS has released a new precise measurement of the mass of the top quark, the heaviest known elementary particle. Atlas Experiment, 25.6.2016. Viitattu 11.4.2021. (englanniksi)
Antti Hakola: Ydin- ja alkeishiukkasfysiikka, Raportti TKK-F-B204, ISBN 978-951-22-9178-6, luku 7 (Arkistoitu – Internet Archive)
Tanedo, Flip: How much top quark is in the proton? Particlebites, 23.5.2015. Viitattu 11.4.2021. (englanniksi)
F. Abe et al.: Observation of Top Quark Production in p̅ p Collisions with the Collider Detector at Fermilab. Physical Review Letters, 1995, 74. vsk, s. 2626–2631. doi:10.1103/PhysRevLett.74.2626. (englanniksi)
S. Abachi et al.: Search for High Mass Top Quark Production in pp̅ Collisions at √s = 1.8 TeV. Physical Review Letters, 1995, 74. vsk, s. 2422–2426. doi:10.1103/PhysRevLett.74.2422. (englanniksi)
The Nobel Prize in Physics 2008 Nobelprize.org. Viitattu 27.11.2012. (englanniksi)
Sharma: Atomic And Nuclear Physics, s. 344. Pearson Education India, 2998. ISBN 9788131719244. (englanniksi)
Bill Carithers, Paul Grannis: Discovery of Top Quark (pdf) 1995. SLAC National Accelerator Laboratory. Viitattu 27.11.2012. (englanniksi)

Aiheesta muualla

Liss & Tipton (1997) "The Discovery of the Top Quark". Scientific American (englanniksi)
Fiedler (2005) "Top Quark Production and Properties at the Tevatron". arXiv:hep-ex/0506005v1 (englanniksi)
Particle Data Group: Summary of Quarks (englanniksi)

Hiukkaset fysiikassa

Alkeishiukkaset

Hiukkasfysiikan standardimallin mukaan alkeishiukkasia ovat kvarkit, leptonit ja bosonit

Fermionit

Kvarkit	- ylöskvarkki (u) - ylös-antikvarkki (u) - alaskvarkki (d) - alas-antikvarkki (d) - lumokvarkki (c) - lumo-antikvarkki (c) - outokvarkki (s) - outo-antikvarkki (s) - huippukvarkki (t) - huippu-antikvarkki (t) - pohjakvarkki (b) - pohja-antikvarkki (b)
Leptonit	e⁻ · e⁺ · μ⁻ · μ⁺ · τ⁻ · τ⁺ · v_e · v_e · v_μ · v_μ · v_τ · v_τ

Bosonit

Mittabosonit	γ · g · W^± · Z
Skalaaribosonit	H⁰

Hypoteettiset

Superpartnerit	Aksiino · Chargiino · Fotiino · Gluiino · Gravitiino · Higgsiino · Neutraliino · Sfermionit
Muut	A⁰ · Dilatoni · G · m · Majoroni · Takyoni · W' · Z' · X · Y · Steriili neutriino · Preoni

Yhdistelmähiukkaset

Hadronit

Baryonit	N (p · n) Δ · Λ · Σ · Ξ · Ω
Mesonit	π · ρ · η · η′ · φ · ω · J/ψ · ϒ · θ · K · B · D · T

Muut

Atomi · Atomiydin · Dikvarkki · Eksoottinen atomi (Positronium · Myonium · Tauonium) · Molekyyli · Pentakvarkki · Tetrakvarkki

Hiukkaslöytöjen aikajana

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.

[Schumm135-1] Schumm 2004, s. 135

[2] Tähtitiede:kvarkki – Tieteen termipankki tieteentermipankki.fi. Viitattu 17.3.2022.

[LMFJ-3] Jukka Maalampi, Tapani Perko: Lyhyt modernin fysiikan johdatus, 4. korjattu painos, s. 184–187. Helsinki: Limes ry, 2006. ISBN 951-745-213-6. (suomeksi)

[4] Lewis, Tanya: Top Quark: Mass of World's Heaviest Elementary Particle Found — Scientists have determined the mass of the heaviest elementary particle, the top quark. NBC News, 21.3.2014. Viitattu 11.4.2021. (englanniksi)

[5] Weighing in on the top quark mass: ATLAS has released a new precise measurement of the mass of the top quark, the heaviest known elementary particle. Atlas Experiment, 25.6.2016. Viitattu 11.4.2021. (englanniksi)

[YAF7-6] Antti Hakola: Ydin- ja alkeishiukkasfysiikka, Raportti TKK-F-B204, ISBN 978-951-22-9178-6, luku 7 (Arkistoitu – Internet Archive)

[7] Tanedo, Flip: How much top quark is in the proton? Particlebites, 23.5.2015. Viitattu 11.4.2021. (englanniksi)

[A-8] F. Abe et al.: Observation of Top Quark Production in p̅ p Collisions with the Collider Detector at Fermilab. Physical Review Letters, 1995, 74. vsk, s. 2626–2631. doi:10.1103/PhysRevLett.74.2626. (englanniksi)

[B-9] S. Abachi et al.: Search for High Mass Top Quark Production in pp̅ Collisions at √s = 1.8 TeV. Physical Review Letters, 1995, 74. vsk, s. 2422–2426. doi:10.1103/PhysRevLett.74.2422. (englanniksi)

[10] The Nobel Prize in Physics 2008 Nobelprize.org. Viitattu 27.11.2012. (englanniksi)

[11] Sharma: Atomic And Nuclear Physics, s. 344. Pearson Education India, 2998. ISBN 9788131719244. (englanniksi)

[12] Bill Carithers, Paul Grannis: Discovery of Top Quark (pdf) 1995. SLAC National Accelerator Laboratory. Viitattu 27.11.2012. (englanniksi)