How big is Bottom-Quark?

Das Bottom-Quark, auch Beauty-Quark genannt, ist das zweitschwerste der sechs Quark-Arten. Quarks sind Elementarteilchen, die – soweit Experimente zeigen – aus nichts Kleinerem bestehen, und sie sind die Bausteine von Protonen, Neutronen und vielen anderen Teilchen. Kein Experiment hat eine Größe für das Bottom-Quark gemessen, daher ist der oben gezeigte Wert von 300 Yoktometern keine Messung. Ein Yoktometer sind 10⁻²⁴ Meter, ein Billionstel eines Billionstels eines Meters.

Größe

In allen bisherigen Experimenten verhalten sich Quarks wie Punkte. Physiker suchen nach der Größe eines Teilchens, indem sie andere Teilchen darauf schießen und beobachten, wie diese abprallen. Das ZEUS-Experiment tat dies am HERA-Beschleuniger, indem es Elektronen mit Protonen kollidieren ließ, und fand keinen Hinweis darauf, dass die Quarks darin eine Größe hatten.

2016 berichtete ZEUS von einer Obergrenze für den Radius dieser Quarks – sofern sie überhaupt einen haben – von weniger als 4,3 × 10⁻¹⁹ Metern. Damit sind sie kleiner als 8,6 × 10⁻¹⁹ Meter im Durchmesser. Das ist eine Obergrenze, keine tatsächliche Größe, und sie stammt von Quarks innerhalb von Protonen, nicht von einzelnen Bottom-Quarks. Die 300 Yoktometer im Explorer liegen weit unter dieser Grenze, sodass kein Experiment sie bestätigen oder ausschließen könnte.

Größenvergleiche

Ein Proton, etwa 1,7 Femtometer (1,7 × 10⁻¹⁵ Meter) im Durchmesser, ist etwa 2.000-mal so breit wie die Obergrenze für ein Quark.
Wäre ein Proton auf die Breite eines Basketballs vergrößert, etwa 24 Zentimeter, könnte ein Quark höchstens etwa 0,12 Millimeter breit sein. Das ist etwas breiter als ein menschliches Haar.
Die Obergrenze für ein Quark ist etwa 50 Billiarden (5 × 10¹⁶) Mal so groß wie die Planck-Länge, eines der nächsten Nachbarobjekte des Bottom-Quarks im Explorer.

Entdeckung

Am 30. Juni 1977 gaben Wissenschaftler am Teilchenbeschleuniger-Labor Fermilab ein neues Teilchen bekannt, das sie Upsilon nannten. Ihr Experiment E288 wurde von Leon Lederman geleitet. Das Upsilon besteht aus einem Bottom-Quark, das an sein Antimaterie-Gegenstück, ein Bottom-Antiquark, gebunden ist. Es war etwa dreimal so schwer wie jedes zuvor gefundene Teilchen.

Das Bottom-Quark war das erste Quark einer dritten Teilchenfamilie. Sein Partner in dieser Familie, das Top-Quark, wurde erst 1995 gefunden.

Schwer, und nie allein

Die Particle Data Group, die Teilchenmessungen aus aller Welt sammelt, gibt die Masse des Bottom-Quarks mit 4,183 GeV an. Teilchenphysiker messen Masse in Energieeinheiten, und ein GeV entspricht einer Milliarde Elektronenvolt. Damit ist das Bottom-Quark etwa 4,5-mal so schwer wie ein ganzes Proton. Seine elektrische Ladung beträgt minus ein Drittel der eines Protons.

Quarks werden nie allein gefunden: Jede Suche nach einem freien Quark blieb erfolglos. Bottom-Quarks sind stets in größere Teilchen eingebunden. Am CERN untersucht das LHCb-Experiment sie, um herauszufinden, warum das Universum fast ausschließlich aus Materie zu bestehen scheint, fast ohne Antimaterie.