How big is 바닥 쿼크?

바닥 쿼크는 뷰티 쿼크라고도 불리며, 여섯 종류의 쿼크 중 두 번째로 무겁다. 쿼크는 실험으로 알 수 있는 한 더 작은 것으로 이루어져 있지 않은 소립자이며, 양성자와 중성자를 비롯한 많은 입자의 구성 요소이다. 바닥 쿼크는 측정된 크기가 없으므로, 위에 표시된 300욕토미터는 측정값이 아니다. 1욕토미터는 10⁻²⁴미터로, 1조분의 1의 1조분의 1미터이다.

크기

지금까지의 모든 실험에서 쿼크는 점처럼 행동한다. 물리학자들은 입자에 다른 입자를 쏘아 어떻게 튕겨 나오는지 관찰하여 그 입자의 크기를 알아본다. ZEUS 실험은 HERA 가속기에서 전자와 양성자를 충돌시켜 이 방법을 썼으며, 양성자 속 쿼크에 크기가 있다는 징후를 찾지 못했다.

2016년에 ZEUS는 그 쿼크에 반지름이 있다면 4.3 × 10⁻¹⁹미터보다 작아야 한다고 보고했다. 따라서 쿼크는 지름이 8.6 × 10⁻¹⁹미터보다 작다. 이 값은 크기가 아니라 상한이며, 바닥 쿼크만 따로 본 것이 아니라 양성자 속 쿼크에서 얻은 것이다. 이 사이트의 300욕토미터는 이 상한보다 훨씬 작으므로, 어떤 실험으로도 확인하거나 배제할 수 없다.

크기 비교

양성자는 지름이 약 1.7펨토미터(1.7 × 10⁻¹⁵미터)로, 쿼크의 상한값의 약 2,000배이다.
양성자를 농구공의 지름인 약 24센티미터로 확대한다면, 쿼크는 지름이 약 0.12밀리미터를 넘지 않을 것이다. 이는 사람 머리카락보다 조금 굵다.
쿼크의 상한값은 약 5만 조(5 × 10¹⁶) 플랑크 길이에 해당한다. 플랑크 길이는 이 사이트에서 바닥 쿼크와 크기가 가장 가까운 대상 중 하나이다.

발견

1977년 6월 30일, 페르미 국립 가속기 연구소의 과학자들이 입실론이라는 새로운 입자를 발표했다. 이들의 E288 실험은 리언 레더먼이 이끌었다. 입실론은 바닥 쿼크가 자신의 반물질 짝인 바닥 반쿼크와 결합한 입자이다. 이 입자는 그때까지 발견된 어떤 입자보다도 약 3배 무거웠다.

바닥 쿼크는 입자의 세 번째 세대에 속한 첫 쿼크였다. 같은 세대의 짝인 꼭대기 쿼크는 1995년에야 발견되었다.

무겁고, 결코 홀로 있지 않다

전 세계의 입자 측정값을 모으는 입자 데이터 그룹은 바닥 쿼크의 질량을 4.183GeV로 제시한다. 입자물리학자들은 질량을 에너지 단위로 나타내며, 1GeV는 10억 전자볼트이다. 따라서 바닥 쿼크의 질량은 양성자 하나 전체의 약 4.5배이다. 전하는 양성자 전하의 3분의 1이며, 부호는 음이다.

쿼크는 홀로 발견된 적이 없으며, 자유 쿼크를 찾는 시도는 모두 성과가 없었다. 바닥 쿼크는 언제나 더 큰 입자 속에 묶여 있다. CERN에서는 LHCb 실험이 바닥 쿼크를 연구하여, 우주가 왜 거의 전부 물질로 이루어져 있고 반물질은 거의 없는 것처럼 보이는지 알아내려 한다.