Üst kuark

Üst kuark, parçacık fiziğinde Standart Model'de tanımlanan bir parçacık. +2/3 elektrik yüküne sahip üçüncü kuşak kuarktır. 171,2 GeV/c2 kütleye sahip temel parçacık.

Aynı zamanda t-kuark ve doğruluk kuarkı olarak da adlandırılan ve sembolü t olan temel parçacıktır. Diğer tüm kuarklar gibi üst kuark da 1/2 dönmeye sahip bir fermiondur. Bu parçacık dört temel kuvvet olan gravitasyonal kuvvet, elektromanyetik kuvvet, güçlü etkileşimler ve zayıf etkileşimlerin hepsini tecrübe eder. Elektrik yükü artı 2/3 elektrondur. Kütlesi 173.34 +/- 0.27(istatistiksel hata) +/- 0.71 (sistemsel hata). Bu kütle yaklaşık olarak tungsten atomuyla aynıdır. Üst kuarkın anti parçacığı üst antikuarktır bu iki parçacığın özellikleri büyüklük olarak aynı ancak yön olarak zıttır.

Üst kuark daha ziyade güçlü etkileşimle etkileşir, ancak aynı zamanda zayıf olarak da bozunabilir. Eğer W-bosonu aracılığıyla zayıf bir etkileşim yaparsa sonuç olarak bir alt kuark ya da bir tuhaf kuark meydana getirir. Hatta çok nadir etkileşimlerde ortaya aşağı kuarkı da çıkartabilir. Standart model ömrünü 5 çarpı 10 üzeri -25 saniye olarak ölçer. Bu güçlü etkileşimin zaman kavramından yaklaşık yirmi mertebesinde daha farklıdır dolayısıyla da hadronları oluşturmaz. Bu sayede üst kuark fizikçilere tek bir kuarkı gözlemleme imkânı sunar (diğer tüm kuarklar hadronize denen bir olayla hadronlara dönüşür). Kütlesinin çok ağır olmasından ötürü üst kuark Higgs bosonunun kütlesinin tahmin edilmesinde sıkça kullanılmıştır. Bu tahmin methodlarından bir kısmında Standart Modele bir takım değişiklikler yapılmaktadır. Bu kadar geniş bir alanda çalışılmasından ötürü farklı teorilerilerin ayrılmasında kullanılır.

Varlığı 1973te Makoto Kobayashi ve Toshihide Maskawa tarafından alt kuarkla birlikte CPnin ihlal edildiği durumları açıklamak adına ortaya atıldı. Ve 1995 yılında Fermilabdaki CDF ve DQ deneyleri sayesinde ispatlandı böylece Kobayashi ve Maskawa 2008 yılında alt ve üst kuarkları ortaya sürdükleri için Nobel ödülüne layık görüldüler. Bu iki kuark kuarkların üçüncü jenerasyonlarıydı.

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

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.

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.

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 vermektir. 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.

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.

Standart modeldeki bütün lepton ve kuarkların Yukawa etkileşim sabiti üst kuarkın Yukawa sabitinden daha küçük. Fermionların kütlesindeki bu hiyerarşiyi anlamak teorik fizik için hala sorgulanabilir bir soru. Yukawa etkileşimleri sabit değil ve ölçülen enerji seviyelerine göre farklılıklar göstermektedir. Yukawa etkileşiminin dinamikleri bu grubun renormalizasyonun da belli olmakta.

Parçacık fiziğindeki bir başka görüş açısı ise üst kuarkın Yukawa etkileşiminin büyüklüğünün renormalizasyondan bulunduğunu ve kuasi-kızılötesi sabit nokta sayesinde ölçüldüğüdür.

Büyük birleşim teorisine göre Yukawanın etkileşim sabitleri yukara, aşağı, çekici, tuhaf ve alt kuarkların yüksek enerji sevilerinde çok düşük olması gerekmekte. Daha düşük enerji seviyelerinde bu değerleri yükselmekte ve bu sayede kuarkların kütleleri Higgs bozonuyla birlikte bulunmakta. Aradaki küçük yükselme ise kuantum chromo dinamiğinden kaynaklanmakta. Yukawa etkileşiminin düzeltmesi küçük kütleli kuarklar için çok küçük.

Ancak eğer bir kuarkın Yukawa etkileşimi yüksek enerjilerde yüksekse Yukawadan gelen düzeltmeleri QCD düzeltmeleriyle sadeleşecektir. Bu genel olarak kızıl ötesi sabit nokta olarak bilinmektedir. Etkileşim sabitinin değeri başlangıçta ne olursa olsun, eğer yeterince büyükse bu sabit noktaya gelecektir. Sonrasında ise kuarkın kütlesi tahmin edilir.

Üst kuarkın Yukawa etkileşim sabiti Standart Modelin kızılötesi sabit noktasına çok yakın. Renormalizasyon üst kuarkın kütlesini 230 GeVde öngörmektedir tabii ki bu eğer bir Higgs bozonu mevcutsa.

En küçük seviyedeki Standart Modelin süper simetrik açılımı iki tane Higgsi öngörür eğer böyle hesaplanırsa üst kuarkın kütlesi biraz daha düşük seviyelerde 170-200 GeV arasında öngörülmektedir. Bu öngörüdeki kararsızlık alt kuarkın Yukawa etkileşim sabitinin de minimal süper simetri açılımında yükselebileceğini söylemekte. Bazı teorici fizikçiler ise bu bilginin minimal süper simetrik etkileşimi kanıtladığına inanmaktadır.

Quasi-kızılötesi sabit nokta üst kuarkın yoğunluğu için bir temel oluşturdu. Ve zayıf elektriksel simetrinin kırılması ile Higgs bozonunun kısa mesafelerde kompozit yapıda olmasından ötürü bir üst kuark ve üst antikuarktan oluştuğu düşünülmektedir.