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.

출처

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.

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