מה הגודל של קווארק תחתון?

הקווארק התחתון, הנקרא גם קווארק היופי, הוא השני בכובדו מבין ששת סוגי הקווארקים. קווארקים הם חלקיקים יסודיים, שאינם בנויים מדבר קטן יותר ככל שהניסויים יכולים לקבוע, והם אבני הבניין של פרוטונים, נייטרונים וחלקיקים רבים אחרים. אף ניסוי לא מדד גודל לקווארק התחתון, ולכן הגודל של 300 יוקטומטרים המוצג למעלה אינו מדידה. יוקטומטר הוא 10⁻²⁴ מטרים, טריליונית של טריליונית המטר.

גודל

בכל הניסויים עד כה קווארקים מתנהגים כמו נקודות. פיזיקאים מחפשים את גודלו של חלקיק בכך שהם יורים עליו חלקיקים אחרים ובוחנים כיצד הם מוחזרים ממנו. ניסוי ZEUS עשה זאת במאיץ HERA, בהתנגשות בין אלקטרונים לפרוטונים, ולא ראה סימן לכך שלקווארקים שבתוך הפרוטונים יש גודל כלשהו.

ב-2016 דיווח ZEUS שרדיוס הקווארקים האלה, אם יש להם רדיוס, חייב להיות קטן מ-4.3 × 10⁻¹⁹ מטרים. כלומר, רוחבם קטן מ-8.6 × 10⁻¹⁹ מטרים. זהו גבול עליון ולא גודל, והוא נובע מקווארקים שבתוך פרוטונים ולא מקווארקים תחתונים בנפרד. הערך של 300 יוקטומטרים באתר נמוך בהרבה מהגבול הזה, ולכן אף ניסוי לא יכול היה לאשר אותו או לשלול אותו.

השוואות גודל

• פרוטון, ברוחב של כ-1.7 פמטומטרים (1.7 × 10⁻¹⁵ מטרים), רחב בערך פי 2,000 מהגבול העליון לקווארק.
• אילו הוגדל פרוטון לרוחבו של כדור כדורסל, כ-24 סנטימטרים, קווארק היה יכול להיות ברוחב של כ-0.12 מילימטרים לכל היותר. זה רחב מעט יותר משערת אדם.
• הגבול העליון לקווארק גדול בערך פי 50 מיליון מיליארד (5 × 10¹⁶) מאורך פלאנק, אחד השכנים הקרובים ביותר של הקווארק התחתון באתר.

גילוי

ב-30 ביוני 1977 הודיעו מדענים במעבדת המאיצים פרמילאב על חלקיק חדש בשם אפסילון. הניסוי שלהם, E288, הובל בידי ליאון לדרמן. האפסילון הוא קווארק תחתון קשור לאנטי-קווארק תחתון, שהוא בן זוגו של הקווארק התחתון מן האנטי-חומר. מסת האפסילון הייתה גדולה בערך פי שלושה מזו של כל חלקיק שנמצא לפניו.

הקווארק התחתון היה הקווארק הראשון במשפחה שלישית של חלקיקים. בן זוגו במשפחה זו הוא קווארק עליון, שנמצא רק ב-1995.

כבד, ולעולם לא לבד

לפי קבוצת נתוני החלקיקים (Particle Data Group), שאוספת מדידות חלקיקים מרחבי העולם, מסת הקווארק התחתון היא 4.183 GeV. פיזיקאי חלקיקים מודדים מסה ביחידות אנרגיה, ו-GeV הוא מיליארד אלקטרונבולטים. כלומר, הקווארק התחתון כבד בערך פי 4.5 מפרוטון שלם. מטענו החשמלי הוא מינוס שליש ממטענו של פרוטון.

קווארקים אינם נמצאים לעולם לבד: כל חיפוש אחר קווארק חופשי הסתיים בלי ממצא. קווארקים תחתונים קשורים תמיד בתוך חלקיקים גדולים יותר. בצר"ן חוקר אותם ניסוי LHCb, כדי להבין מדוע נראה שהיקום בנוי כמעט כולו מחומר, כמעט בלי אנטי-חומר.

מקורות

• Summary Tables: Quarks. Particle Data Group, 2025.
• Limits on the effective quark radius from inclusive ep scattering at HERA. ZEUS Collaboration, Physics Letters B, 2016.
• Revisiting the b revolution. CERN Courier, 2017.
• January 1976: From the "Oops-Leon" to the Upsilon Particle. Dan Garisto, APS News, American Physical Society, 2022.
• The Nobel Prize in Physics 1995: Press release. Royal Swedish Academy of Sciences, 1995.
• LHCb. CERN.
• SI prefixes. International Bureau of Weights and Measures.
• Proton rms charge radius. NIST CODATA, 2022.
• Proton mass energy equivalent in MeV. NIST CODATA, 2022.
• Planck length. NIST CODATA, 2022.
• Official Basketball Rules 2026: Basketball Equipment. FIBA, 2026.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.