ما حجم كوارك سفلي؟

الكوارك السفلي هو أحد نوعي الكوارك اللذين تتكوّن منهما البروتونات والنيوترونات، والنوع الآخر هو الكوارك العلوي. لم تتوصل أي تجربة إلى قياس حجم له، لذلك فالرقم المعروض ليس قياسًا. وكل ما وجدته التجارب أن الكوارك، إن كان له حجم أصلًا، لا يزيد على نحو جزء من ألفين من عرض البروتون.

الحجم

يعرض سطر الحجم 8 زيبتومترات. والزيبتومتر يساوي 10⁻²¹ متر، أي جزء من ألف من جزء من مليار من جزء من مليار من المتر. ويعني الرمز 10⁻²¹ قسمة 1 على عدد يتألف من 1 يليه 21 صفرًا. ولم تتوصل أي تجربة إلى قياس حجم أي نوع من أنواع الكوارك.

للبحث عن حجم الجسيم، يطلق الفيزيائيون جسيمات على هدف ويدرسون كيف ترتد عنه. وفي مسرّع HERA، جعلت تجربة ZEUS الإلكترونات تصطدم بالبروتونات، ولم تلحظ ما يدل على أن للكواركات الموجودة داخل البروتونات أي حجم. وفي عام 2016 أفادت التجربة بأن نصف قطر الكوارك يجب أن يقل عن 4.3 × 10⁻¹⁹ متر. وهذا يعني أن عرض الكوارك أقل من نحو 8.6 × 10⁻¹⁹ متر.

هذا الرقم حدّ أعلى وليس حجمًا. وهو يعادل نحو 110 ضعفًا لرقم المستكشف البالغ 8 زيبتومترات. لذلك لا تستبعد التجارب رقم المستكشف، لكن لا شيء يدعمه أيضًا.

مقارنات الحجم

يبلغ عرض البروتون، وهو نحو 1.7 فمتومتر (1.7 × 10⁻¹⁵ متر)، نحو 2,000 ضعف أكبر حجم تسمح به التجارب للكوارك.
لو جرى تكبير كوارك يبلغ عرضه هذا الحد الأقصى إلى حجم كرة السلة، وهي بعرض نحو 24 سنتيمترًا، لبلغ عرض البروتون نحو 470 مترًا.
وبالمقياس نفسه، لبلغ عرض ذرة الهيدروجين نحو 30,000 كيلومتر، أي أكثر من ضعفي عرض الأرض.
لو وُضع نحو 120 مليون كوارك بهذا الحد الأقصى جنبًا إلى جنب لامتدّت على عرض ذرة الهيدروجين، التي يبلغ عرضها نحو 0.1 نانومتر (عُشر جزء من مليار من المتر).

كيف يتغير الكوارك السفلي

النيوترون المنفرد، خارج نواة الذرة، غير مستقر. ويبقى في المتوسط نحو 15 دقيقة، ثم يضمحل إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو مضاد، وهو نظير النيوترينو في المادة المضادة. وتسمى هذه العملية اضمحلال بيتا.

يتكوّن النيوترون من كوارك علوي واحد وكواركين سفليين، ويتكوّن البروتون من كواركين علويين وكوارك سفلي واحد. وفي اضمحلال بيتا، تُحوِّل القوة الضعيفة أحد الكواركين السفليين في النيوترون إلى كوارك علوي. فيطلق النيوترون بوزون W، وهو جسيم يحمل القوة الضعيفة، ثم يتحول بوزون W إلى الإلكترون والنيوترينو المضاد.

يحمل الكوارك السفلي −1/3 من شحنة البروتون الكهربائية، ويحمل الكوارك العلوي +2/3. ويرفع هذا التغير شحنة الكوارك بمقدار 1، وتوازن ذلك شحنة الإلكترون البالغة −1.

كيف اكتُشفت الكواركات

في خمسينيات القرن العشرين، اكتشف الفيزيائيون عددًا كبيرًا من الجسيمات الجديدة وبحثوا عن نمط يجمع بينها. وطُرحت فكرة الكواركات عام 1964 بثلاثة أنواع: العلوي والسفلي والغريب. وقد سمّى الفيزيائي موراي غيل-مان الكواركات بهذا الاسم. ولسنوات لم يُعثر على أي منها، واعتبرها كثير من الفيزيائيين أفكارًا رياضية فحسب.

جاءت أولى الدلائل من تجارب بدأها عام 1967 فيزيائيون من مركز المسرّع الخطي في ستانفورد (SLAC) ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. فقد أطلقوا إلكترونات في مسرّع طوله نحو 3.2 كيلومتر على بروتونات ونيوترونات. وارتدّ بزوايا كبيرة عدد من الإلكترونات يفوق بكثير ما كان متوقعًا، وهو دليل على وجود حبيبات صغيرة صلبة في الداخل. وتقاسم جيروم فريدمان وهنري كيندال وريتشارد تايلور جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1990 عن هذا العمل.