Üst kuark

Tarihi

1973 yılında Makoto Kobayashi ve Toshihide Maskakawa, kaon parçalanmasında görülen CP ihlalini açıklamak amacıyla 3. Nesil kuark varlığını öngördüler. Üst ve alt isimleri ilk olarak 1975 yılında Haim Harari tarafından ---Üst kuark önceden gerçek kuark olarak da adlandırılmakta idi, fakat zamanla üst kuark en yaygın kullanılan isim oldu.
Kobayashi ve Maskawa’nın önerisi genel olarak Sheldon Glashow, Yannis İliopulos ve Luciano Maiani (daha sonraları görülmeyen tılsım kuarkını öngördüler) tarafından öne sürülen GIM mekanizmasına dayanmakta idi. Kasım 1974'te  Brookhaven Ulusal Laboratuvarı ve Stanford Lineer Hızlandırıcı Merkezinden takımlar Jpsi’ın keşfedildiğini hemen hemen aynı zamanda açıkladılar. Hemen sonrasında ise charm kuark ve anti kuarkının bağlanma durumu olduğu anlaşıldı. Bu buluş, GIM mekanizmasının standart modelin bir parçası olmasını sağlamıştır. GIM mekanizmasının kabulü ile, Kobayashi ve Maskawa’nın öngörüsü de değer kazanmış oldu. Bu buluş, Lewis Perl’ün takımı SLAC tarafından 1974 ve 1978 yılları arasında tau’nun keşfedilmesi ile daha da önem kazandı. 3. Nesil leptonlar lepton ve kuark arasında GIM mekanizmasının yeni bir simetrisi ile  ortaya çıktı

Özellikleri

En son tevatron enerjisi olan 1.96 TeV de üst kuark ve üst antikuark ikilisi 7 picobarnlık bir alanla ölçüldü. Standart modelde beklenen ise 6.7 ve 7.5 picobarn arasındaydı yani ölçümler beklentiyle uyuştu.
Üst kuark bozunumundan çıkan W-bosonları üst kuark polarizasyonu taşırlar.
Standart modeldeki üst kuark beklendiği üzere 1/2 dönme ve 2/3 elektriksel yük taşıyordu. Üst kuarkın etkileşiminin ilk ölçümü yaklaşık yüzde 90 doğrulukla 2/3 olarak gözlemlendi.

Üretimi

Üst kuarklar çok büyük kütlelere sahip oldukları için üretilmeleri için çok miktarda enerjiye ihtiyaç vardır. Bu miktardaki yüksek enerjilere ulaşmak için yüksek enerjili çarpışmalar gerekmektedir. Bu olaylar doğal olarak dünyanın üst atmosferinde kozmik ışımalar olarak gerçekleşmektedir. ya da bu olayları gerçekleştirmek için parçacık hızlandırıcılara ihtiyaç vardır. 2011 yılında Tevatron operasyonları inceledikten sonra CERNdeki Büyük Hadron Çarpıştırıcı (LHC) bu enerjileri oluşturabilecek tek makine oldu. Cernün enerji seviyesi kütle merkezinde ölçüldüğünde 7 TeVdi ve bu enerji üst kuarkları üretmek için yeterli bir miktardı.
Üst kuarkın üretilebileceği çok sayıda etkileşim vardı. Bunlardan olasılığı en yüksek olan üst ve üst antikuarkın bir arada güçlü etkileşimle birlikte çıkmasıydı. Bu etkileşim Tevatronda en çok çıkan etkileşimdi. Çarpışmada çok enerjik bir gluon ortaya çıkmakta bu enerjik gluon ise üst ve üst antikuarka dağılmaktadır. Bu etkileşim aynı zamanda 1995te üst kuarkın ilk kez bulunduğu etkileşimdi. Üst ve üst anti-kuarkların oluşumunu enerjik birer foton ya da Z bozonu ile yapmak da mümkün. Ancak bu etkileşimler çok nadir ve diğer deney verileriyle çok benzerlik taşımakta.
Tamamen farklı bir üretim kanalı ise üst kuarkın tek başına zayıf etkileşimle meydana çıktığı etkileşimdir. Bu kanal iki şekilde meydana gelebilir : Ya W-bozonunun bir üst kuark ile bir alt antikuarka dağılımıyla yahut, bir alt kuarkın W-bosonuyla etkileşime geçerek üst kuarkı oluşturmasıdır. Bu olayın ilk kanıtları DQ deneyi tarafından 2006 yılında yayımlandı. Mart 2009 da ise CDF ve DQ deneyleri ikiz bir yayım ile bu etkileşimleri detaylı bir şekilde açıkladı. Bu etkileşimlerin en önemli yanı ise bu etkileşimlerin oluşum olasılıklarının CKM matrisin Vtb adındaki bir bileşeniyle doğrudan orantılı olmasıdır.

Bozunum

Çok yüksek bir kütleye sahip olduğu için üst kuark çok az yaşar ve hemen başka parçacıklara bozunur. Diğer kuarkların aksine üst kuarklar başka hadronlar üretemediklerinden  bizlere yalnız bir kuarkı inceleme olanı sağlar. Üst kuarkın tek bozunma olasılı zayıf etkileşimle bir W-bozonu ve bir alt kuark grubu elemanı oluşturmasıdır.
W-bozonuyla birlikte alt kuark yahut başka bir kuarkın çıkış oranını ölçmek mümkündür. Bu oranın en güzel ölçümü ise bize 0.91 sayısını verir. Bu sayı standart modeldeki Vtb elemanına eşit olduğu için CKM matrisinin kendine özgü olduğunu kanıtlamıştır.
Standart model ayrıca egzotik bozunumlara da izin vermekdir. Ancak sadece tek daireyi etkileşimler gerçekleşebilir. Üst kuarkın bir Z-bozonu ya da foton atarak bir üst-grup kuarkı oluşturması da mümkün. Bu tarzdaki etkileşim arayışı Standart Modelde günümüze kadar bir sonuç göstermedi.

Kütlesi ve Higgs bozonuyla etkileşimi

Standart Model fermionların kütlelerini Higgs mekanizmasıyla açıklamakta. Higgs bozonunun ise üst kuark için bir sağdan birde soldan Yukawa etkileşim sabiti var. Zayıf elektriksel simetrinin kırılmasından sonra , soldan ve sağdan olan bileşenler karışarak bir kütle terimi oluşturmakta.