Huippukvarkki

Huippukvarkki () eli t-kvarkki, tosikvarkki on alkeishiukkanen ja yksi kuudesta kvarkkityypistä eli mausta. 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. Huippukvarkin massa on noin 173 000 MeV, mikä tekee siitä raskaimman tunnetun alkeishiukkasen. Massa on suunnilleen yhtä suuri kuin kulta-atomin. Se on noin 35 kertaa seuraavaksi raskainta kvarkkia, pohjakvarkkia, raskaampi ja noin 70 000 kertaa keveintä, ylöskvarkkia raskaampi. Kolmesta kevyemmästä kvarkista muodostuva protoni on massaltaan vain noin 1⁄175 huippukvarkin massasta.

Huippukvarkki eroaa kaikista muista kvarkeista siinä, ettei se muodosta lainkaan hadroneita. 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.

Tuottaminen ja hajoaminen 

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.

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.

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

Lähteet

Viitteet

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

Kvarkit
53 Fysiikka
Seulonnan keskeiset artikkelit