How big is Kwark spodni?

Kwark spodni, zwany też kwarkiem pięknym, jest drugim pod względem masy z sześciu rodzajów kwarków. Kwarki są cząstkami elementarnymi, które, o ile wiadomo z doświadczeń, nie składają się z niczego mniejszego i są budulcem protonów, neutronów i wielu innych cząstek. Żadne doświadczenie nie zmierzyło rozmiaru kwarka spodniego, więc pokazane wyżej 300 joktometrów nie jest wynikiem pomiaru. Joktometr to 10⁻²⁴ metra, czyli bilionowa część bilionowej części metra.

Rozmiar

We wszystkich dotychczasowych doświadczeniach kwarki zachowują się jak punkty. Fizycy szukają rozmiaru cząstki, kierując w jej stronę inne cząstki i obserwując, jak się odbijają. Doświadczenie ZEUS zrobiło to w akceleratorze HERA, zderzając elektrony z protonami, i nie znalazło śladu tego, by kwarki wewnątrz protonów miały jakikolwiek rozmiar.

W 2016 roku naukowcy z doświadczenia ZEUS donieśli, że promień tych kwarków, o ile go mają, musi być mniejszy niż 4,3 × 10⁻¹⁹ metra. Oznacza to, że mają mniej niż 8,6 × 10⁻¹⁹ metra średnicy. Jest to górna granica, a nie rozmiar. Dotyczy kwarków wewnątrz protonów, a nie samych kwarków spodnich. Podane w eksploratorze 300 joktometrów jest znacznie mniejsze niż ta granica, więc żadne doświadczenie nie mogłoby go potwierdzić ani wykluczyć.

Porównania rozmiarów

Proton, który ma około 1,7 femtometra (1,7 × 10⁻¹⁵ metra) średnicy, jest około 2000 razy szerszy niż górna granica dla kwarka.
Gdyby proton powiększyć do szerokości piłki do koszykówki, czyli około 24 centymetrów, kwark mógłby mieć nie więcej niż około 0,12 milimetra średnicy. To nieco więcej niż szerokość ludzkiego włosa.
Górna granica dla kwarka jest około 50 milionów miliardów (5 × 10¹⁶) razy większa niż długość Plancka, jeden z najbliższych sąsiadów kwarka spodniego w eksploratorze.

Odkrycie

30 czerwca 1977 roku naukowcy z laboratorium akceleratorowego Fermilab ogłosili odkrycie nowej cząstki, nazwanej ypsylon. Ich doświadczenie, E288, prowadził Leon Lederman. Ypsylon to kwark spodni związany z antykwarkiem spodnim, czyli antymaterialnym partnerem kwarka spodniego. Ypsylon był około trzykrotnie cięższy niż jakakolwiek cząstka znaleziona wcześniej.

Kwark spodni był pierwszym kwarkiem trzeciej rodziny cząstek. Jego partner z tej rodziny, kwark szczytowy, został znaleziony dopiero w 1995 roku.

Ciężki i nigdy sam

Particle Data Group zbiera pomiary cząstek z całego świata i podaje masę kwarka spodniego jako 4,183 GeV. Fizycy cząstek mierzą masę w jednostkach energii, a GeV to miliard elektronowoltów. Wynika z tego, że kwark spodni jest około 4,5 raza cięższy niż cały proton. Jego ładunek elektryczny to minus jedna trzecia ładunku protonu.

Kwarków nigdy nie spotyka się samotnie: każde poszukiwanie wolnego kwarka zakończyło się niepowodzeniem. Kwarki spodnie są zawsze związane w większych cząstkach. W CERN doświadczenie LHCb bada je, aby dowiedzieć się, dlaczego Wszechświat wydaje się składać niemal wyłącznie z materii, a prawie wcale z antymaterii.