How big is Charmquark?

De charmquark is een 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 charmquark is geen grootte gemeten, dus de 1 zeptometer hierboven is geen meting. Een zeptometer is 10⁻²¹ meter, een miljardste 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 charmquarks zelf. De 1 zeptometer 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 de bovengrens voor een quark werd vergroot tot de breedte van een tennisbal, ongeveer 6,7 centimeter, zou een proton ongeveer 130 meter breed zijn. Een waterstofatoom zou ongeveer 8.200 kilometer breed zijn, ongeveer twee derde van de breedte van de Aarde.
De bovengrens voor een quark is ongeveer 50 miljoen miljard (5 × 10¹⁶) keer zo groot als de Plancklengte, het eerstvolgende kleinere object in de verkenner met een gedefinieerde waarde.

De novemberrevolutie

In november 1974 vonden twee teams die los van elkaar werkten hetzelfde nieuwe deeltje. Het team van Burton Richter bij het Stanford Linear Accelerator Center noemde het deeltje psi, en het team van Samuel Ting bij het Brookhaven National Laboratory noemde het J. Op 11 november kwamen de twee leiders bijeen en beseften ze dat ze dezelfde ontdekking hadden gedaan. Richter en Ting deelden de Nobelprijs voor de Natuurkunde van 1976.

De J/psi, zoals het deeltje nu wordt genoemd, is een charmquark dat gebonden is aan een anticharmquark, de antimateriepartner van de charmquark. Het deeltje leefde ongeveer duizend keer langer dan natuurkundigen hadden verwacht, en velen concludeerden dat een vierde soort quark nodig was om het te verklaren. De charmquark was al voorspeld, en de ontdekking ervan bracht het aantal bekende quarks op vier.

Massa en lading

De Particle Data Group, die deeltjesmetingen van over de hele wereld verzamelt, geeft de massa van de charmquark als 1,273 GeV. Deeltjesfysici meten massa in eenheden van energie, en een GeV is een miljard elektronvolt. Dat maakt een charmquark ongeveer 1,4 keer zo zwaar als een heel proton en bijna 600 keer zo zwaar als een upquark. De elektrische lading van de charmquark is twee derde van die van een proton.

Net als andere quarks worden charmquarks nooit alleen aangetroffen. Elke zoektocht naar een vrije quark sinds 1977 heeft niets opgeleverd.