Huippukvarkki (topkvarkki) – määritelmä, massa, ominaisuudet ja hajoaminen

Huippukvarkit eli totuuskvarkit (engl. top quarks, merkintä t) ovat raskaimpia tunnettuja alkeishiukkasia — eli perushiukkasia, joita ei voi jakaa edelleen — ja kuuluvat kvarkkien ryhmään. Kaikki kvarkit ovat fermioneja, mikä tarkoittaa, että niillä on puoli-integerinen spin (spin = 1/2) ja ne noudattavat Paulin kieltosääntöä samaan tilaan liittyen. Huippukvarkilla on sähkövaraus +2/3 e, se kantaa väri‑varauksia (kolme "väriä") ja se osallistuu kaikkiin neljään perusvuorovaikutukseen: painovoima, sähkömagnetismi, vahva voima sekä heikko voima. Vahva vuorovaikutus sitoo kvarkit yhteen hadroneiksi, mutta huippukvarkin erityisominaisuudet erottaa sen muista kvarkeista.

Massa ja merkitys

Huippukvarkin massa on poikkeuksellisen suuri suhteessa muihin alkeishiukkasiin. Sen lepomassa on noin 173 GeV/c² (noin 3,0×10^-25 kg), mikä on samaa kertaluokkaa kuin yksi volframiatomi. Tämän suuren massan vuoksi huippukvarkki vaikuttaa merkittävästi standardimallin kvanttimekaanisiin korjauksiin ja erityisesti Higgsin bosonin ominaisuuksiin: huippukvarkin suuri Yukawa-kytkentä Higgsiin teki siitä tärkeän tekijän ennusteissa ennen Higgsin löytämiä tuloksia. Historiallisesti huippukvarkin massan mittaukset auttoivat supistamaan sallitun Higgs‑massan arvoa teoreettisissa sopimuksissa.

Hajoaminen ja elinikä

Huippukvarkki on hyvin epävakaa ja hajoaa pääasiassa heikon vuorovaikutuksen välityksellä. Lähes aina tapahtuva kanava on hajoaminen alakvarkiksi (b‑kvarkiksi) ja W-bosoniksi — tästä kanavasta on yli 99 %:n osuus, koska CKM‑sekoitus suosii b‑kvarkkia. Harvinaisempia, CKM‑vaimentuneita hajoamisia ovat oudoksi kvarkiksi (s) tai alas‑kvarkiksi (d), mutta niiden osuus on hyvin pieni. Huippukvarkin elinaika on äärettömän lyhyt, noin 5×10^-25 sekuntia, minkä takia se hajoaa ennen kuin ehtii muodostaa hadronia — tämä erottaa sen muista kvarkeista ja tekee sen tutkimisesta erityisen kiinnostavaa, koska voidaan tarkastella "vapaamman" kvarkin ominaisuuksia ilman hadronisaation sekoittavia vaikutuksia.

Tuotanto ja havaitseminen

Huippukvarkkeja tuotetaan suurenergiaisissa hiukkaskiihdyttimien törmäyksissä, kuten Tevatronissa (Fermilab) ja nykyisin LHC:ssä (CERN). Tuotantomekanismeja ovat esimerkiksi kvarkki‑antikvarkkipari‑tuotanto ja gluonien fuusio (pari‑tuotanto), sekä yksittäinen huippukvarkki tuotantona heikon vuorovaikutuksen kautta. Havaitseminen perustuu hajoamistuotteisiin: W-bosoni voi hajota joko leptoonisesti (esim. elektroniin tai myoniin + neutriino) tai hadronisesti (kahdeksi jetiksi), ja b‑kvarkista syntyy b‑jet, jonka tunnistus (b‑tagging) on keskeinen menetelmä huippukvarkin identifioimiseksi. Näin tarkastellaan tapahtumien kinematiikkaa ja yhdistellään eri havaintoja huippukvarkin ominaisuuksien mittaamiseksi.

Lyhyesti tärkeimmät ominaisuudet

Symboli: t (huippukvarkki, top quark)
Sähkövaraus: +2/3 e
Spin: 1/2 (fermioni)
Massan suuruusluokka: ~173 GeV/c² (noin samaa luokkaa kuin volframiatomi)
Elinikä: ~5×10^-25 s (hajoaa ennen hadronisaatiota)
Pääasiallinen hajoamiskanava: alakvarkiksi + W-bosoniksi
Vuorovaikutukset: painovoima, sähkömagnetismi, vahva voima, heikko voima

Huippukvarkin löytäminen vuonna 1995 Tevatronilla oli merkittävä virstanpylväs hiukkasfysiikassa. Nykyiset tarkemmat mittaukset LHC:stä jatkavat huippukvarkin ominaisuuksien selvittämistä, mukaan lukien sen tuotanto‑ ja hajoamismekanismien yksityiskohdat sekä mahdolliset poikkeamat standardimallista, jotka voisivat viitata uuteen fysiikkaan.

Kaksi toisiinsa törmäävää protonia tuottaa huippukvarkin ja huippuanikvarkin, jotka sitten hajoavat nopeasti muiksi asioiksi.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä ovat huippukvarkit?

V: Top-kvarkit eli totuuskvarkit ovat raskaimpia tunnettuja alkeishiukkasia, joita ei voi jakaa.

K: Ovatko kvarkit alkeishiukkasia?

V: Kyllä, kaikki kvarkit ovat alkeishiukkasia.

K: Mikä on kvarkkien spin?

V: Kvarkit ovat fermioneja, mikä tarkoittaa, että kahta niistä ei voi olla samanaikaisesti samassa paikassa, ja niiden spin on 1/2.

K: Minkä perusvoimien kanssa kärkikvarkit ovat vuorovaikutuksessa?

V: Huippukvarkit ovat vuorovaikutuksessa kaikkien neljän perusvoiman kanssa, jotka ovat painovoima, sähkömagnetismi, vahva voima ja heikko voima.

K: Mihin huippukvarkit yleensä hajoavat?

V: Huippukvarkit hajoavat lähes aina pohjakvarkiksi ja W-bosoniksi, vaikka joskus ne voivat hajota oudoksi kvarkiksi.

K: Kuinka raskas on yksi huippukvarkki?

V: Yksi huippukvarkki painaa suunnilleen yhtä paljon kuin yksi volframiatomi.

K: Kuinka kauan huippukvarkkien uskotaan olevan olemassa?

V: Valitettavasti huippukvarkkien uskotaan olevan olemassa vain 5x10-25 sekuntia.