How big is Kwark dziwny?

Kwark dziwny jest trzecim najlżejszym z sześciu rodzajów kwarków. Występuje w krótko żyjących cząstkach, takich jak kaony, podczas gdy zwykła materia składa się z lżejszych kwarków górnych i dolnych. Żadne doświadczenie nie zmierzyło jego rozmiaru, więc pokazana wartość nie jest wynikiem pomiaru. Doświadczenia wykazały jedynie, że kwarki, o ile mają jakikolwiek rozmiar, są nie większe niż około jednej dwutysięcznej szerokości protonu.

Rozmiar

Wiersz z rozmiarem pokazuje 4 zeptometry. Zeptometr to 10⁻²¹ metra, czyli tysięczna część miliardowej części miliardowej części metra. Zapis 10⁻²¹ oznacza 1 podzielone przez 1 z 21 zerami. Żadne doświadczenie nie zmierzyło rozmiaru żadnego rodzaju kwarka.

Doświadczenia wyznaczyły natomiast górną granicę. W akceleratorze HERA doświadczenie ZEUS zderzało elektrony z protonami i nie znalazło śladu tego, by kwarki wewnątrz miały jakikolwiek rozmiar. W 2016 roku naukowcy z tego doświadczenia donieśli, że promień kwarka musi być mniejszy niż 4,3 × 10⁻¹⁹ metra, więc kwark ma mniej niż około 8,6 × 10⁻¹⁹ metra średnicy.

Ta granica pochodzi z kwarków wewnątrz protonów, a nie konkretnie z kwarków dziwnych. Jest około 200 razy większa niż wartość podana w eksploratorze, więc żadne doświadczenie nie przeczy tej wartości i żadne jej nie potwierdza.

Porównania rozmiarów

Proton, który ma około 1,7 femtometra (1,7 × 10⁻¹⁵ metra) średnicy, jest około 2000 razy szerszy niż największy rozmiar kwarka, jaki dopuszczają doświadczenia.
Gdyby proton powiększyć do rozmiarów piłki do koszykówki, czyli około 24 centymetrów średnicy, kwark o rozmiarze równym tej granicy miałby około 0,12 milimetra średnicy, nieco więcej niż typowa szerokość ludzkiego włosa.
W tej samej skali atom wodoru miałby około 15 kilometrów średnicy.

Pierwsze dziwne cząstki

W 1947 roku Clifford Butler i George Rochester z Uniwersytetu w Manchesterze donieśli o śladach cząstek niepodobnych do żadnych wcześniej widzianych. Sfotografowali je w komorze mgłowej, czyli urządzeniu, w którym naładowane elektrycznie cząstki zostawiają ślady z drobnych chmurek. Cząstki te zaczęto nazywać kaonami.

Kaony nie pasowały do żadnego obrazu, jaki fizycy mieli w tamtych czasach. Były ciężkie, miały około połowy masy protonu, a mimo to żyły stosunkowo długo, zanim się rozpadły. W latach 50. XX wieku Murray Gell-Mann, Kazuhiko Nishijima, Abraham Pais i inni wyjaśnili to nową właściwością zwaną dziwnością. Nazwa oddawała to, jak dziwne od początku wydawały się te cząstki.

Dziś dziwność przypisuje się kwarkowi dziwnemu. Kaon dodatni to na przykład kwark górny sparowany z antykwarkiem dziwnym, czyli antymaterialnym partnerem kwarka dziwnego.

Cięższy kwark

Particle Data Group zbiera pomiary cząstek z całego świata i podaje masę kwarka dziwnego jako 93,5 MeV. Fizycy cząstek podają masy w jednostkach energii, a MeV to milion elektronowoltów. Masa kwarka dziwnego jest około 20 razy większa niż masa kwarka dolnego i 43 razy większa niż masa kwarka górnego.

Cięższe kwarki są niestabilne, a oddziaływanie słabe zamienia je w lżejsze. Dlatego cząstki zawierające kwarki dziwne w końcu się rozpadają. Kaon dodatni żyje średnio około 12 miliardowych części sekundy. Cząstka lambda, zbudowana z kwarka górnego, dolnego i dziwnego, żyje około jednej czwartej miliardowej części sekundy.