Topkvarker eller sandhedskvarker er de tungeste kendte elementarpartikler (partikler, der er så små, at de ikke kan deles). Alle kvarker er elementarpartikler, og da de er fermioner (hvilket betyder, at der ikke kan eksistere to af dem samme sted på samme tid), har de et spin på 1/2. Topkvarken vekselvirker med alle fire fundamentale kræfter: tyngdekraften, elektromagnetismen, den stærke kraft og den svage kraft. Næsten altid henfalder en topkvark til en bundkvark og en W-boson, selvom sjældne henfald til en strange kvark (eller d-kvark) er muligt, men stærkt hæmmet af CKM-matrixens elementer.
Egenskaber
Topkvarken (symbol t) har elektrisk ladning +2/3 e, fargeladning (er en farvet partikel i kvantemekanikkens forstand) og spin 1/2. Dens masse er meget stor for en elementarpartikel: den moderne måling af topkvarkens masse er omkring 172–173 GeV/c² (omtrent 1,9×10² gange protonens masse), hvilket svarer til ca. 3,1×10⁻²⁵ kg — næsten det samme som et atom af wolfram. Da topkvarker er så massive, har præcise målinger af topmassen været afgørende for at forudsige massen af den teoretiske partikel, der er kendt som en Higgs Boson. Topkvarkens korte levetid (cirka 5×10⁻²⁵ sekunder) betyder, at den forvinder før den når at binde sig til andre kvarker og danne hadroner; derfor kan information om dens spin og polarisering ofte måles direkte fra dens henfaldsprodukter.
Henfald og produktion
Topkvarker produceres typisk i partikelacceleratorer som Fermilab's Tevatron og CERN's LHC. Parvis produktion (t anti-t) sker primært via den stærke kraft (gluoner eller kvark–antikvark-annihilation), mens enkel topproduktion foregår via den svage kraft. Topkvarkens dominerende henfaldskanal er t → bW, og eksperimentelle målinger viser, at brøkdelen til bundkvark (Vtb) er tæt på 1, så praktisk talt alle topkvarker henfalder til en bundkvark plus en W-boson. W-bosonen kan herefter henfalde leptonisk (for eksempel til et elektron eller en muon og en neutrino) eller hadronisk (til to kvarker), hvilket giver de karakteristiske eksperimentelle signaturer: en b-jet, eventuelt et højenergetisk lepton og ustyret energi fra neutrinoer.
Topkvarken og Higgs
Topkvarkens store masse svarer til en meget stærk kobling til Higgs-feltet (en stor Yukawa-kobling, tæt på 1). Derfor spiller topkvarken en central rolle i elektrosvag symmetribrydning og i kvantemekaniske korrektioner til Higgs-massen. Topkvark-loops dominerer for eksempel den mest effektive Higgs-produktionsmekanisme ved LHC (gluonsammenfletning: gg → H) og bidrager også til nogle Higgs-til-foton-processer. Præcise målinger af topmassen sammen med målinger af Higgs-massen bliver brugt til at undersøge Standardmodellens stabilitet (om universets vakuum er metastabilt eller stabilt) og til at søge efter tegn på ny fysik.
Observation og betydning
Topkvarken blev opdaget i 1995 ved Fermilab af CDF- og DØ-samarbejderne. Siden da har Tevatron og især LHC målt dens masse, produktionstværsnit og henfaldsegenskaber med stigende præcision. Fordi topkvarken ikke hadroniserer, før den henfalder, er den et unikt laboratorium for at studere grundlæggende egenskaber som kvarkspin, svag-interaktionsstrukturer og mulige afvigelser fra Standardmodellen. Præcise topmålinger sætter også stærke begrænsninger på teorier ud over Standardmodellen og hjælper med at afgrænse parameterrum for hypotetiske partikler og interaktioner.
Sammenfattende er topkvarken en tung, kortlivet kvark med stor teoretisk og eksperimentel betydning: dens store masse forbinder den tæt med Higgs-fysikken, dens henfaldsmønstre er lettilgængelige i eksperimenter, og dens egenskaber bruges fortløbende til at teste vores forståelse af elementarpartikler og fundamentale kræfter.
