How big is Quark bottom?

Le quark bottom, aussi appelé quark beauté, est le deuxième plus lourd des six types de quarks. Les quarks sont des particules élémentaires, qui ne sont faites de rien de plus petit pour autant que les expériences puissent le dire, et elles constituent les briques de base des protons, des neutrons et de bien d'autres particules. Aucune expérience n'a mesuré de taille pour le quark bottom, donc les 300 yoctomètres indiqués ci-dessus ne sont pas une mesure. Un yoctomètre vaut 10⁻²⁴ mètre, soit un billionième de billionième de mètre.

Taille

Dans toutes les expériences menées jusqu'ici, les quarks se comportent comme des points. Pour chercher la taille d'une particule, les physiciens en projettent d'autres contre elle et observent comment elles rebondissent. L'expérience ZEUS a procédé ainsi à l'accélérateur HERA, en faisant entrer en collision des électrons et des protons, sans trouver aucun signe que les quarks à l'intérieur aient une taille.

En 2016, ZEUS a indiqué que le rayon de ces quarks, s'ils en ont un, doit être inférieur à 4,3 × 10⁻¹⁹ mètres. Cela les rend inférieurs à 8,6 × 10⁻¹⁹ mètres de diamètre. Il s'agit d'une limite supérieure, non d'une taille, et elle provient des quarks à l'intérieur des protons, non des quarks bottom pris isolément. Les 300 yoctomètres de l'explorateur sont bien en dessous de cette limite, si bien qu'aucune expérience ne peut ni les confirmer ni les exclure.

Comparaisons de taille

Un proton, d'environ 1,7 femtomètre (1,7 × 10⁻¹⁵ mètre) de diamètre, est environ 2 000 fois plus large que cette limite supérieure pour un quark.
Si un proton était agrandi à la taille d'un ballon de basket, environ 24 centimètres, un quark ne pourrait pas mesurer plus d'environ 0,12 millimètre de diamètre. C'est un peu plus large qu'un cheveu humain.
La limite supérieure pour un quark est environ 50 millions de milliards (5 × 10¹⁶) fois la longueur de Planck, l'un des voisins les plus proches du quark bottom dans l'explorateur.

Découverte

Le 30 juin 1977, des scientifiques du laboratoire d'accélérateurs du Fermilab ont annoncé une nouvelle particule appelée upsilon. Leur expérience, E288, était dirigée par Leon Lederman. L'upsilon est un quark bottom lié à un antiquark bottom, son partenaire d'antimatière. Elle était environ trois fois plus lourde que toute particule trouvée auparavant.

Le quark bottom fut le premier quark d'une troisième famille de particules. Son partenaire au sein de cette famille, le quark top, ne fut découvert qu'en 1995.

Lourd, et jamais seul

Le Particle Data Group, qui rassemble des mesures de particules venues du monde entier, donne pour le quark bottom une masse de 4,183 GeV. Les physiciens des particules mesurent la masse dans des unités d'énergie, et un GeV vaut un milliard d'électronvolts. Cela rend le quark bottom environ 4,5 fois plus lourd qu'un proton entier. Sa charge électrique vaut moins un tiers de celle d'un proton.

Les quarks ne se trouvent jamais seuls : toutes les recherches d'un quark libre sont restées vaines. Les quarks bottom sont toujours liés à l'intérieur de particules plus grandes. Au CERN, l'expérience LHCb les étudie pour comprendre pourquoi l'univers semble constitué presque entièrement de matière, avec presque pas d'antimatière.