How big is Quark étrange?

Le quark étrange est le troisième plus léger des six types de quarks. On le trouve dans des particules de courte durée de vie comme les kaons, alors que la matière ordinaire est composée des quarks up et down, plus légers. Aucune expérience n'a mesuré sa taille, donc la valeur indiquée n'est pas une mesure. Les expériences ont seulement établi que les quarks, s'ils ont une taille, ne dépassent pas environ un deux-millième de la largeur d'un proton.

Taille

La ligne de taille indique 4 zeptomètres. Un zeptomètre vaut 10⁻²¹ mètre, soit un millième de milliardième de milliardième de mètre. La notation 10⁻²¹ signifie 1 divisé par un 1 suivi de 21 zéros. Aucune expérience n'a mesuré de taille pour aucun type de quark.

Les expériences ont plutôt fixé une limite supérieure. À l'accélérateur HERA, l'expérience ZEUS a fait entrer en collision des électrons et des protons, sans trouver aucun signe que les quarks à l'intérieur aient une taille. En 2016, elle a indiqué que le rayon d'un quark doit être inférieur à 4,3 × 10⁻¹⁹ mètres, ce qui rend un quark inférieur à environ 8,6 × 10⁻¹⁹ mètres de diamètre.

Cette limite provient des quarks à l'intérieur des protons, et non des quarks étranges en particulier. Elle représente environ 200 fois la valeur de l'explorateur, si bien qu'aucune expérience ne la contredit, mais aucune ne la confirme non plus.

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 la plus grande taille que les expériences autorisent pour un quark.
Si un proton était agrandi à la taille d'un ballon de basket, environ 24 centimètres de diamètre, un quark à cette limite mesurerait environ 0,12 millimètre de diamètre, un peu plus large qu'un cheveu ordinaire.
À la même échelle, un atome d'hydrogène mesurerait environ 15 kilomètres de diamètre.

Les premières particules étranges

En 1947, Clifford Butler et George Rochester, de l'université de Manchester, ont signalé des traces de particules inédites. Ils les avaient photographiées dans une chambre à brouillard, un appareil dans lequel les particules chargées électriquement laissent des traînées de minuscules nuages. Ces particules furent appelées kaons.

Les kaons ne correspondaient à aucune théorie des physiciens de l'époque. Ils étaient lourds, avec environ la moitié de la masse d'un proton, et pourtant ils mettaient relativement longtemps à se désintégrer. Dans les années 1950, Murray Gell-Mann, Kazuhiko Nishijima, Abraham Pais et d'autres ont expliqué cela par une nouvelle propriété appelée étrangeté. Ce nom reflétait à quel point ces particules avaient toujours semblé insolites.

Aujourd'hui, l'étrangeté est attribuée au quark étrange. Un kaon positif, par exemple, est un quark up associé à un antiquark étrange, le partenaire d'antimatière du quark étrange.

Un quark plus lourd

Le Particle Data Group, qui rassemble les mesures de particules du monde entier, donne pour le quark étrange une masse de 93,5 MeV. Les physiciens des particules expriment les masses en unités d'énergie, et un MeV vaut un million d'électronvolts. La masse du quark étrange est environ 20 fois celle d'un quark down et 43 fois celle d'un quark up.

Les quarks plus lourds sont instables, et la force faible les transforme en quarks plus légers. C'est pourquoi les particules contenant des quarks étranges finissent par se désintégrer. Un kaon positif survit en moyenne environ 12 milliardièmes de seconde. La particule lambda, faite d'un quark up, d'un quark down et d'un quark étrange, dure environ un quart de milliardième de seconde.