ما حجم كوارك ساحر؟

الكوارك الساحر هو أحد 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 الساحر، لذا فإن الحجم المعروض أعلاه، 1 زيبتومتر، ليس قياسًا. والزيبتومتر هو 10⁻²¹ متر، أي جزء من مليار 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 الكواركات الساحرة نفسها. والقيمة 1 زيبتومتر 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 الحد الأعلى للكوارك إلى عرض كرة تنس، أي نحو 6.7 سنتيمتر، لبلغ عرض البروتون نحو 130 مترًا. ولبلغ عرض ذرة هيدروجين نحو 8,200 كيلومتر، أي نحو ثلثي عرض الأرض.
يبلغ الحد الأعلى للكوارك نحو 50 مليون مليار (5 × 10¹⁶) ضعف طول بلانك، وهو الجسم الأصغر مباشرةً في المستكشف الذي له قيمة محددة.

ثورة نوفمبر

في نوفمبر 1974 عثر فريقان يعملان بشكل منفصل على الجسيم الجديد نفسه. أطلق فريق بيرتون ريختر في مركز ستانفورد للمسرّع الخطي عليه اسم بساي (ψ)، وأطلق فريق صامويل تينغ في مختبر بروكهافن الوطني عليه اسم J. وفي 11 نوفمبر التقى القائدان وأدركا أنهما توصلا إلى الاكتشاف نفسه. واقتسم ريختر وتينغ جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1976.

الجسيم J/ψ، كما يسمى اليوم، هو كوارك ساحر مرتبط بكوارك ساحر مضاد، أي نظيره من المادة المضادة. وقد بقي مدة تبلغ نحو ألف ضعف المدة التي توقعها الفيزيائيون، واستنتج كثيرون أن تفسيره يتطلب نوعًا رابعًا من الكواركات. وكان الكوارك الساحر قد جرى التنبؤ به من قبل، واكتشافه رفع عدد الكواركات المعروفة إلى أربعة.

الكتلة والشحنة

تذكر مجموعة بيانات الجسيمات، التي تجمع قياسات الجسيمات من أنحاء العالم، أن كتلة الكوارك الساحر تبلغ 1.273 غيغا إلكترون فولت (GeV). يقيس فيزيائيو الجسيمات الكتلة بوحدات الطاقة، والغيغا إلكترون فولت يساوي مليار إلكترون فولت. وهذا يجعل كتلة الكوارك الساحر نحو 1.4 ضعف كتلة بروتون كامل، وما يقارب 600 ضعف كتلة كوارك علوي. وشحنة الكوارك الساحر الكهربائية ثلثا شحنة البروتون.

مثل الكواركات الأخرى، لا توجد الكواركات الساحرة منفردة أبدًا. وكل بحث عن كوارك حر منذ عام 1977 لم يسفر عن شيء.