How big is Bottomquark?

De bottomquark, ook wel beautyquark genoemd, is de op een na zwaarste van de zes soorten quarks. Quarks zijn elementaire deeltjes: voor zover experimenten kunnen nagaan bestaan ze niet uit iets kleiners. Ze zijn de bouwstenen van protonen, neutronen en veel andere deeltjes. Van de bottomquark is geen grootte gemeten, dus de 300 yoctometer hierboven is geen meting. Een yoctometer is 10⁻²⁴ meter, een biljoenste van een biljoenste van een meter.

Grootte

In alle experimenten tot nu toe gedragen quarks zich als punten. Natuurkundigen zoeken de grootte van een deeltje door er andere deeltjes op af te schieten en te kijken hoe die terugkaatsen. Het ZEUS-experiment deed dat bij de HERA-versneller, door elektronen met protonen te laten botsen, en zag geen aanwijzing dat de quarks in de protonen enige grootte hadden.

In 2016 meldde ZEUS dat de straal van die quarks, als ze er al een hebben, kleiner moet zijn dan 4,3 × 10⁻¹⁹ meter. Dat betekent dat ze minder dan 8,6 × 10⁻¹⁹ meter breed zijn. Dat is een bovengrens en geen grootte. De grens komt van quarks in protonen en niet van afzonderlijke bottomquarks. De 300 yoctometer van de verkenner ligt ver onder deze grens, dus geen enkel experiment kan die waarde bevestigen of uitsluiten.

Groottevergelijkingen

Een proton, ongeveer 1,7 femtometer (1,7 × 10⁻¹⁵ meter) breed, is ongeveer 2.000 keer zo breed als de bovengrens voor een quark.
Als een proton werd vergroot tot de breedte van een basketbal, ongeveer 24 centimeter, zou een quark hooguit ongeveer 0,12 millimeter breed kunnen zijn. Dat is iets breder dan een mensenhaar.
De bovengrens voor een quark is ongeveer 50 miljoen miljard (5 × 10¹⁶) keer zo groot als de Plancklengte, een van de naaste buren van de bottomquark in de verkenner.

Ontdekking

Op 30 juni 1977 maakten wetenschappers van het deeltjeslaboratorium Fermilab een nieuw deeltje bekend, de upsilon. Hun experiment, E288, stond onder leiding van Leon Lederman. De upsilon is een bottomquark die gebonden is aan een antibottomquark, de antimateriepartner van de bottomquark. De upsilon was ongeveer drie keer zo zwaar als elk eerder gevonden deeltje.

De bottomquark was de eerste quark van een derde familie van deeltjes. Zijn partner in die familie, de topquark, werd pas in 1995 gevonden.

Zwaar, en nooit alleen

De Particle Data Group, die deeltjesmetingen van over de hele wereld verzamelt, geeft de massa van de bottomquark als 4,183 GeV. Deeltjesfysici meten massa in eenheden van energie, en een GeV is een miljard elektronvolt. Dat maakt de bottomquark ongeveer 4,5 keer zo zwaar als een heel proton. De elektrische lading is min een derde van die van een proton.

Quarks worden nooit alleen aangetroffen: elke zoektocht naar een vrije quark heeft niets opgeleverd. Bottomquarks zitten altijd gebonden in grotere deeltjes. Bij CERN bestudeert het LHCb-experiment bottomquarks om te leren waarom het heelal bijna helemaal uit materie lijkt te bestaan, met bijna geen antimaterie.