How big is s-кварк?

s-кварк — третій найлегший із шести видів кварків. Він входить до складу короткоживучих частинок, як-от каони, тоді як звичайна речовина побудована з легших u-кварків і d-кварків. Жоден експеримент не виміряв розміру s-кварка, тому показане значення — це не результат вимірювання. Експерименти встановили лише те, що кварки, якщо вони взагалі мають якийсь розмір, становлять не більше ніж приблизно двотисячну частку ширини протона.

Розмір

У рядку розміру вказано 4 зептометри. Зептометр — це 10⁻²¹ метра, тисячна частка мільярдної частки мільярдної частки метра. Запис 10⁻²¹ означає 1, поділену на одиницю, за якою йде 21 нуль. Жоден експеримент не виміряв розміру жодного виду кварків.

Натомість експерименти встановили верхню межу. На прискорювачі HERA експеримент ZEUS зіштовхував електрони з протонами й не знайшов жодних ознак того, що кварки всередині протонів мають якийсь розмір. У 2016 році в ZEUS повідомили, що радіус кварка має бути меншим за 4,3 × 10⁻¹⁹ метра, тож у поперечнику кварк має менше ніж приблизно 8,6 × 10⁻¹⁹ метра.

Ця межа отримана для кварків усередині протонів, а не конкретно для s-кварків. Вона приблизно у 200 разів більша за значення на цьому сайті, тому жоден експеримент не суперечить цьому значенню, але й не підтверджує його.

Порівняння розмірів

Протон діаметром близько 1,7 фемтометра (1,7 × 10⁻¹⁵ метра) приблизно у 2 000 разів ширший за найбільший розмір, який експерименти допускають для кварка.
Якби протон збільшили до розміру баскетбольного м’яча, діаметром близько 24 сантиметрів, кварк на цій межі мав би в поперечнику близько 0,12 міліметра, що трохи більше за ширину типової людської волосини.
У такому самому масштабі атом водню мав би в поперечнику близько 15 кілометрів.

Перші дивні частинки

У 1947 році Кліффорд Батлер і Джордж Рочестер із Манчестерського університету повідомили про сліди частинок, несхожих ні на які з відомих раніше. Вони сфотографували їх у камері Вільсона — приладі, в якому заряджені частинки залишають сліди з крихітних хмаринок. Згодом ці частинки стали відомі як каони.

Каони не вкладалися в жодне з уявлень, які тоді мали фізики. Вони були важкими, з масою приблизно вдвічі меншою за масу протона, проте жили відносно довго, перш ніж розпастися. У 1950-ті роки Мюррей Гелл-Ман, Кадзухіко Нісідзіма, Абрахам Пайс та інші пояснили це новою властивістю, яку назвали дивністю. Назва відображала те, якими дивними завжди здавалися ці частинки.

Нині дивність пов’язують із s-кварком. Наприклад, додатний каон — це u-кварк у парі з s-антикварком, партнером s-кварка з антиматерії.

Важчий кварк

Particle Data Group, яка збирає результати вимірювань частинок з усього світу, подає масу s-кварка як 93,5 МеВ. Фізики елементарних частинок задають маси в одиницях енергії, а МеВ — це мільйон електронвольтів. Маса s-кварка приблизно у 20 разів більша за масу d-кварка і у 43 рази більша за масу u-кварка.

Важчі кварки нестабільні, а слабка взаємодія перетворює їх на легші. Тому частинки, що містять s-кварки, зрештою розпадаються. Додатний каон живе в середньому приблизно 12 мільярдних часток секунди. Лямбда-частинка, що складається з u-кварка, d-кварка та s-кварка, живе приблизно чверть мільярдної частки секунди.