ما حجم كوارك علوي؟

الكوارك العلوي هو أخف أنواع الكواركات الستة، والكواركات هي الجسيمات التي يتكوّن منها البروتون والنيوترون. لم تتوصل أي تجربة إلى قياس حجم له، لذلك فالرقم المعروض ليس قياسًا. وكل ما وجدته التجارب أن الكوارك، إن كان له حجم أصلًا، لا يزيد على نحو جزء من ألفين من عرض البروتون.

الحجم

يعرض سطر الحجم 10 زيبتومترات. والزيبتومتر يساوي 10⁻²¹ متر، أي جزء من ألف من جزء من مليار من جزء من مليار من المتر. ويعني الرمز 10⁻²¹ قسمة 1 على عدد يتألف من 1 يليه 21 صفرًا. ويعطي المستكشف كل نوع من الكواركات رقمًا مختلفًا، لكن لم تتوصل أي تجربة إلى قياس حجم أي منها.

يبحث الفيزيائيون عن حجم الجسيم بإطلاق جسيمات أخرى عليه ومراقبة كيفية تشتتها. وقد درست تجربة ZEUS التصادمات بين الإلكترونات والبروتونات في مسرّع HERA. ولم تجد ما يدل على أن للكواركات داخل البروتونات أي حجم. وفي عام 2016 أفادت التجربة بأن نصف قطر الكوارك، إن كان له نصف قطر، يجب أن يقل عن 4.3 × 10⁻¹⁹ متر.

لذلك فإن عرض الكوارك أقل من نحو 8.6 × 10⁻¹⁹ متر. وهذا حدّ أعلى وليس حجمًا. وهو يعادل نحو 86 ضعفًا لرقم المستكشف، لذلك لا تستبعد التجارب هذا الرقم، لكنها لا تدعمه أيضًا.

مقارنات الحجم

يبلغ عرض البروتون، وهو نحو 1.7 فمتومتر (1.7 × 10⁻¹⁵ متر)، نحو 2,000 ضعف أكبر حجم تسمح به التجارب للكوارك.
لو جرى تكبير كوارك يبلغ عرضه هذا الحد الأقصى إلى حجم كرة التنس، وهي بعرض نحو 6.7 سنتيمتر، لبلغ عرض البروتون نحو 130 مترًا.
وبالمقياس نفسه، لبلغ عرض ذرة الهيدروجين نحو 8,200 كيلومتر، أي نحو ثلثي عرض الأرض.
لو وُضع نحو 100 تريليون كوارك بهذا الحد الأقصى جنبًا إلى جنب لامتدّت على عرض شعرة الإنسان، التي يبلغ عرضها نحو 0.1 مليمتر.

داخل البروتونات والنيوترونات

تتكوّن المادة العادية من نوعين من الكواركات، هما الكوارك العلوي والكوارك السفلي. ويتكوّن البروتون من كواركين علويين وكوارك سفلي واحد. ويتكوّن النيوترون من كوارك علوي واحد وكواركين سفليين.

يحمل كل كوارك جزءًا من الشحنة الكهربائية للبروتون: +2/3 للكوارك العلوي و−1/3 للكوارك السفلي. ومجموع شحنات الكواركات الثلاثة في البروتون هو +1، ومجموع شحنات الكواركات الثلاثة في النيوترون هو 0.

تتماسك الكواركات بفعل الغلوونات، وهي الجسيمات التي تحمل القوة الشديدة. ولم يعثر أحد قط على كوارك منفرد. وقد بحث الفيزيائيون عن كواركات منفردة في ماء البحر والنيازك والأشعة الكونية ومسرّعات الجسيمات، دون جدوى.

من أين تأتي كتلة البروتون

تذكر مجموعة بيانات الجسيمات (Particle Data Group)، التي تجمع قياسات الجسيمات في العالم، أن كتلة الكوارك العلوي تبلغ 2.16 ميغا إلكترون فولت. ويعبّر فيزيائيو الجسيمات عن الكتل بوحدات الطاقة، والميغا إلكترون فولت يساوي مليون إلكترون فولت. وكتلة الكوارك العلوي أقل من نصف كتلة الكوارك السفلي، وهي 4.70 ميغا إلكترون فولت.

تبلغ كتلة البروتون نحو 938 ميغا إلكترون فولت. ومجموع كتلة الكواركين العلويين والكوارك السفلي فيه نحو 9 ميغا إلكترون فولت فقط، أي نحو 1% من ذلك. ويأتي ما يقارب كل الباقي من التفاعلات بين الكواركات والغلوونات التي تربطها معًا.