T-kvarkki

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
t-kvarkki
Rakenne Alkeishiukkanen
Perhe Fermioni
Ryhmä Kvarkit
Sukupolvi Kolmas
Vuorovaikutus Painovoima
Sähkömagneettinen
Vahva vuorovaikutus
Heikko vuorovaikutus[1]
Antihiukkanen t-antikvarkki
Löydetty teoreettisesti Makoto Kobayashi ja Toshihide Maskawa (1973)
Löydetty Fermilab (1995)
Symboli t
Sähkövaraus +⅔ e[1]
Värivaraus on
Spin ½[1]

T-kvarkki (engl. t quark) eli tosi-kvarkki tai huippu-kvarkki on alkeishiukkanen ja yksi kuudesta kvarkkityypistä eli mausta. Sitä vastaava antihiukkanen on t-antikvarkki. T-kvarkki on kvarkeista selvästi raskain eikä se siksi muodosta lainkaan hadroneita. T-kvarkkeja voidaan havaita vain tuottamalla t-kvarkin ja t-antikvarkin muodostamia pareja.

Ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aivan kuten muillakin kvarkeilla, myös t-kvarkilla spin on 1/2 ja baryoniluku 1/3. Sen isospin I3 on 0 ja sähkövaraus +2/3e. Sillä kvarkkiin liittyvä kvanttiluku totuus saa arvon +1. T-kvarkki kuuluu samaan kvarkkiduplettiin b-kvarkin kanssa.[2] T-kvarkin massa on noin 173 000 MeV eli se on noin 35 kertaa seuraavaksi raskainta kvarkkia, b-kvarkkia, raskaampi ja noin 70 000 kertaa keveintä, u-kvarkkia raskaampi. Se on Higgsin bosonia lukuunottamatta raskain tunnettu alkeishiukkanen.[3]

T-kvarkki eroaa kaikista muista kvarkeista siinä, ettei se muodosta lainkaan hadroneita.[2] Tämä johtuu erittäin suuren massan aiheuttamasta tavattoman lyhyestä elinajasta. T-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.[3]

Tuottaminen ja hajoaminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

T-kvarkki-antikvarkki-pari.

Koska t-kvarkki ei muodosta sidottuja tiloja, se on havaittava tuottamalla t-kvarkin ja t-antikvarkin muodostamia pareja. T-kvarkki voi hajota suoraan sekä kvarkeiksi että välibosoneiksi, mutta käytännössä ainoa merkittävä hajoamisreitti on b-kvarkiksi sekä W+-bosoniksi, jolloin antikvarkki hajoaa näiden antihiukkasiksi. Hajoaminen jatkuu saman tien b-kvarkin 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. T-kvarkki-antikvarkki-parin yhteismassa on noin 360 GeV, joten parin tuottaminen ei onnistu enää elekroni-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 t-kvarkki-antikvarkki-parin muodostaminen vaatii käytännössä 1,8 TeVin energian.[3][4][5]

Suuren törmäysenergian vuoksi törmäyksessä muodostuu valtava määrä reaktioita, joissa erilaiset hadronit pääsevät muodostumaan suoraan ja hankaloittavat näin t-kvarkillisten reaktioiden havaitsemista. T-kvarkin 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 t-kvarkin pääasiallisena hajoamistuotteena syntyneen b-kvarkin sisältäneitä reaktioita käyttämällä b-taggingiksi kutsuttua menetelmää.[3][4][5]

Tutkimus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Makoto Kobayashi ja Toshihide Maskawa ennustivat t- ja b-kvarkkien olemassaolon vuonna 1973. He saivat työstään Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 2008.[6] T-kvarkin olemassaolo saatiin osoitettua kokeellisesti Tevatronilla protoni-antiprotoni -törmäytyksessä vasta vuonna 1995,[7] yli 20 vuotta hiukkasen teoreettisen ennustamisen jälkeen.[3][8]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c Schumm 2004, s. 135
  2. a b Jukka Maalampi, Tapani Perko: Lyhyt modernin fysiikan johdatus, 4. korjattu painos, s. 184–187. Helsinki: Limes ry, 2006. ISBN 951-745-213-6. (suomeksi)
  3. a b c d e Antti Hakola: Ydin- ja alkeishiukkasfysiikka, Raportti TKK-F-B204, ISBN 978-951-22-9178-6, luku 7
  4. a b 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)
  5. a b 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)
  6. The Nobel Prize in Physics 2008 Nobelprize.org. Viitattu 27.11.2012. (englanniksi)
  7. Sharma: Atomic And Nuclear Physics, s. 344. Pearson Education India, 2998. ISBN 9788131719244. (englanniksi)
  8. Bill Carithers, Paul Grannis: Discovery of Top Quark (pdf) 1995. SLAC National Accelerator Laboratory. Viitattu 27.11.2012. (englanniksi)

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]