מה הגודל של קווארק קסום?

הקווארק הקסום הוא אחד מששת 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 הקסום, ולכן הגודל של 1 זפטומטר המוצג למעלה אינו מדידה. זפטומטר הוא 10⁻²¹ מטרים, מיליארדית 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 קסומים עצמם. הערך של 1 זפטומטר 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 הגבול העליון לקווארק לרוחב של כדור טניס, כ-6.7 סנטימטרים, פרוטון היה ברוחב של כ-130 מטרים. אטום מימן היה ברוחב של כ-8,200 קילומטרים, בערך שני שלישים מרוחבו של כדור הארץ.
• הגבול העליון לקווארק גדול בערך פי 50 מיליון מיליארד (5 × 10¹⁶) מאורך פלאנק, העצם הקטן יותר הקרוב ביותר באתר שמוגדר לו ערך.

מהפכת נובמבר

בנובמבר 1974 שתי קבוצות שעבדו בנפרד מצאו את אותו חלקיק חדש. הקבוצה של ברטון ריכטר במרכז המאיץ הליניארי של סטנפורד (SLAC) קראה לו psi, והקבוצה של סמואל טינג במעבדה הלאומית ברוקהייבן קראה לו J. ב-11 בנובמבר נפגשו שני ראשי הקבוצות והבינו שעשו את אותו גילוי. ריכטר וטינג חלקו את פרס נובל לפיזיקה לשנת 1976.

ה-J/psi, כפי שהוא נקרא כיום, הוא קווארק קסום הקשור לאנטי-קווארק קסום, שהוא בן זוגו של הקווארק הקסום מן האנטי-חומר. הוא חי זמן ארוך בערך פי אלף ממה שהפיזיקאים ציפו, ורבים הסיקו שההסבר לכך דורש סוג רביעי של קווארק. קיומו של הקווארק הקסום כבר נחזה, וגילויו העלה את מספר הקווארקים הידועים לארבעה.

מסה ומטען

לפי קבוצת נתוני החלקיקים (Particle Data Group), שאוספת מדידות חלקיקים מרחבי העולם, מסת הקווארק הקסום היא 1.273 GeV. פיזיקאי חלקיקים מודדים מסה ביחידות אנרגיה, ו-GeV הוא מיליארד אלקטרון-וולט. כלומר, הקווארק הקסום כבד בערך פי 1.4 מפרוטון שלם, וכמעט פי 600 מקווארק למעלה. מטענו החשמלי הוא שני שלישים ממטענו של פרוטון.

כמו קווארקים אחרים, גם קווארקים קסומים אינם נמצאים לעולם לבד. כל חיפוש אחר קווארק חופשי מאז 1977 הסתיים בלי ממצא.

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.
• The Nobel Prize in Physics 1976: Press release. Royal Swedish Academy of Sciences, 1976.
• 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.
• SI prefixes. International Bureau of Weights and Measures.
• Proton rms charge radius. NIST CODATA, 2022.
• Proton mass energy equivalent in MeV. NIST CODATA, 2022.
• Bohr radius. NIST CODATA, 2022.
• Planck length. NIST CODATA, 2022.
• Rules of Tennis 2026. International Tennis Federation, 2026.
• Earth Fact Sheet. NASA.