ما حجم كوارك قعري؟

الكوارك القعري، ويسمى أيضًا كوارك الجمال، هو ثاني أثقل الأنواع الستة من الكواركات. الكواركات جسيمات أولية لا تتكوّن من شيء أصغر منها على حد ما تستطيع التجارب كشفه، وهي اللبنات الأساسية للبروتونات والنيوترونات وكثير من الجسيمات الأخرى. لم تقس أي تجربة حجمًا للكوارك القعري، لذا فإن الحجم المعروض أعلاه، 300 يوكتومتر، ليس قياسًا. واليوكتومتر هو 10⁻²⁴ متر، أي جزء من تريليون من جزء من تريليون من المتر.

الحجم

في كل التجارب حتى الآن تتصرف الكواركات كأنها نقاط. يبحث الفيزيائيون عن حجم الجسيم بإطلاق جسيمات أخرى عليه ومراقبة كيفية ارتدادها عنه. وقد أجرت تجربة ZEUS ذلك في مسرّع HERA بتصادم الإلكترونات مع البروتونات، ولم تجد أي دليل على أن للكواركات داخل البروتونات أي حجم.

وفي عام 2016 أفادت ZEUS بأن نصف قطر تلك الكواركات، إن كان لها نصف قطر، يجب أن يكون أصغر من 4.3 × 10⁻¹⁹ متر. وهذا يعني أن عرضها أقل من 8.6 × 10⁻¹⁹ متر. وهذه القيمة حد أعلى وليست حجمًا، ومصدرها كواركات داخل البروتونات لا كواركات قعرية منفردة. والقيمة 300 يوكتومتر في المستكشف أقل بكثير من هذا الحد، لذا لا تستطيع أي تجربة تأكيدها أو استبعادها.

مقارنات الحجم

يبلغ عرض بروتون نحو 1.7 فمتومتر (1.7 × 10⁻¹⁵ متر)، أي نحو 2,000 ضعف الحد الأعلى لعرض الكوارك.
لو جرى تكبير بروتون إلى عرض كرة سلة، أي نحو 24 سنتيمترًا، لما زاد عرض الكوارك على نحو 0.12 مليمتر. وهذا أعرض قليلًا من شعرة الإنسان.
يبلغ الحد الأعلى للكوارك نحو 50 مليون مليار (5 × 10¹⁶) ضعف طول بلانك، وهو أحد أقرب الأجسام المجاورة للكوارك القعري في المستكشف.

الاكتشاف

في 30 يونيو 1977 أعلن علماء في مختبر المسرّعات فيرميلاب عن جسيم جديد يسمى أبسيلون. وقاد ليون ليدرمان تجربتهم E288. الأبسيلون كوارك قعري مرتبط بكوارك قعري مضاد، أي نظير الكوارك القعري من المادة المضادة. وكانت كتلته نحو ثلاثة أضعاف كتلة أي جسيم اكتُشف من قبل.

كان الكوارك القعري أول كوارك في عائلة ثالثة من الجسيمات. أما شريكه في تلك العائلة، كوارك قمي، فلم يُكتشف إلا عام 1995.

ثقيل ولا يوجد وحيدًا

تذكر مجموعة بيانات الجسيمات، التي تجمع قياسات الجسيمات من أنحاء العالم، أن كتلة الكوارك القعري تبلغ 4.183 غيغا إلكترون فولت (GeV). يقيس فيزيائيو الجسيمات الكتلة بوحدات الطاقة، والغيغا إلكترون فولت يساوي مليار إلكترون فولت. وهذا يجعل كتلة الكوارك القعري نحو 4.5 ضعف كتلة بروتون كامل. وشحنته الكهربائية تساوي سالب ثلث شحنة البروتون.

لا توجد الكواركات منفردة أبدًا: فكل بحث عن كوارك حر لم يسفر عن شيء. والكواركات القعرية مرتبطة دائمًا داخل جسيمات أكبر. وفي سيرن تدرسها تجربة LHCb لمعرفة لماذا يبدو الكون مؤلفًا من المادة بالكامل تقريبًا، مع غياب شبه تام للمادة المضادة.