How big is 야릇한 쿼크?

야릇한 쿼크는 여섯 종류의 쿼크 중 세 번째로 가볍다. 이 쿼크는 케이온 같은 수명이 짧은 입자에서 발견되며, 보통 물질은 더 가벼운 위 쿼크와 아래 쿼크로 이루어져 있다. 야릇한 쿼크의 크기를 측정한 실험은 없으므로, 표시된 값은 측정값이 아니다. 실험으로 알아낸 것은, 쿼크에 크기가 있다 해도 양성자 지름의 약 2,000분의 1을 넘지 않는다는 사실뿐이다.

크기

이 사이트의 크기 줄에는 4젭토미터로 표시되어 있다. 1젭토미터는 10⁻²¹미터로, 10억분의 1의 10억분의 1의 1,000분의 1미터이다. 10⁻²¹이라는 표기는 1을, 1 뒤에 0이 21개 붙은 수로 나눈다는 뜻이다. 어떤 종류의 쿼크도 크기가 측정된 적은 없다.

그 대신 실험들은 상한을 정했다. HERA 가속기에서 ZEUS 실험은 전자와 양성자를 충돌시켰고, 양성자 속 쿼크에 크기가 있다는 징후를 찾지 못했다. 2016년에 이 실험은 쿼크의 반지름이 4.3 × 10⁻¹⁹미터보다 작아야 한다고 보고했다. 따라서 쿼크는 지름이 약 8.6 × 10⁻¹⁹미터보다 작다.

이 상한은 야릇한 쿼크만 따로 본 것이 아니라 양성자 속 쿼크에서 얻은 값이다. 이 상한은 이 사이트에 표시된 크기의 약 200배이므로, 표시된 크기와 모순되는 실험은 없으며, 이를 뒷받침하는 실험도 없다.

크기 비교

양성자는 지름이 약 1.7펨토미터(1.7 × 10⁻¹⁵미터)로, 쿼크에 대해 실험이 허용하는 가장 큰 크기의 약 2,000배이다.
양성자를 지름이 약 24센티미터인 농구공 크기로 확대한다면, 그 상한 크기의 쿼크는 지름이 약 0.12밀리미터로, 일반적인 사람 머리카락보다 조금 굵을 것이다.
같은 배율로 확대하면, 수소 원자는 지름이 약 15킬로미터일 것이다.

최초의 기묘한 입자

1947년에 맨체스터 대학교의 클리퍼드 버틀러와 조지 로체스터는 이전에 본 적 없는 입자들의 궤적을 보고했다. 이들은 안개 상자에서 이 궤적을 사진으로 찍었다. 안개 상자는 전하를 띤 입자가 작은 구름이 이어진 흔적을 남기는 장치이다. 이 입자들은 훗날 케이온이라 불리게 되었다.

케이온은 당시 물리학자들이 가진 어떤 설명 틀에도 들어맞지 않았다. 케이온은 양성자 질량의 절반 정도로 무거우면서도 붕괴하기까지 비교적 오래 지속되었다. 1950년대에 머리 겔만, 니시지마 가즈히코, 아브라함 파이스 등이 기묘도라는 새로운 성질로 이를 설명했다. 이 이름에는 이 입자들이 줄곧 얼마나 이상하게 보였는지가 담겨 있다.

오늘날 기묘도는 야릇한 쿼크에서 비롯되는 것으로 설명한다. 예를 들어 양전하 케이온은 위 쿼크 하나와 야릇한 반쿼크가 짝을 이룬 입자이다. 야릇한 반쿼크는 야릇한 쿼크의 반물질 짝이다.

더 무거운 쿼크

전 세계의 입자 측정값을 모으는 입자 데이터 그룹은 야릇한 쿼크의 질량을 93.5MeV로 제시한다. 입자물리학자들은 질량을 에너지 단위로 나타내며, 1MeV는 100만 전자볼트이다. 야릇한 쿼크의 질량은 아래 쿼크의 약 20배이고, 위 쿼크의 43배이다.

더 무거운 쿼크는 불안정하며, 약력이 이를 더 가벼운 쿼크로 바꾼다. 그래서 야릇한 쿼크를 포함한 입자는 결국 붕괴한다. 양전하 케이온은 평균 약 10억분의 12초 동안 존재한다. 위 쿼크, 아래 쿼크, 야릇한 쿼크로 이루어진 람다 입자는 약 10억분의 1초의 4분의 1 동안 존재한다.