How big is كوارك قمي?

الكوارك القمي هو أثقل جسيم أولي معروف حتى عام 2026. الجسيم الأولي لا يتكوّن من شيء أصغر منه، على حد ما تستطيع التجارب كشفه. وليس للكوارك القمي حجم مقيس، لذا فإن الحجم المعروض أعلاه، 1 يوكتومتر، قيمة رمزية وليس قياسًا. وتمثّل هذه القيمة حجمًا أصغر بكثير من أي حجم تستطيع التجارب كشفه.

الحجم

اليوكتومتر هو 10⁻²⁴ متر، أي جزء من تريليون من جزء من تريليون من المتر. لم تقس أي تجربة حجمًا للكوارك القمي، ولا لأي كوارك آخر. وفي كل الاختبارات حتى الآن تتصرف الكواركات كأنها نقاط.

يبحث الفيزيائيون عن حجم الجسيم بإطلاق جسيمات أخرى عليه ومراقبة كيفية ارتدادها عنه. درست تجربة ZEUS في مسرّع HERA تصادمات بين الإلكترونات والبروتونات، ولم تجد أي دليل على أن للكواركات داخل البروتونات أي حجم. وفي عام 2016 أفادت التجربة بأن نصف قطر تلك الكواركات، إن كان لها نصف قطر، يجب أن يكون أصغر من 4.3 × 10⁻¹⁹ متر. وهذه القيمة حد أعلى وليست حجمًا، ومصدرها الكواركات الموجودة داخل البروتونات لا الكوارك القمي.

مقارنات الحجم

يبلغ الحد الأعلى لعرض الكواركات داخل البروتونات نحو 8.6 × 10⁻¹⁹ متر، أي نحو 860,000 ضعف القيمة المعروضة في المستكشف.
يبلغ عرض بروتون نحو 1.7 فمتومتر (1.7 × 10⁻¹⁵ متر)، أي نحو 2,000 ضعف عرض ذلك الحد الأعلى للكوارك.
تبلغ القيمة 1 يوكتومتر في المستكشف نحو 60 مليار ضعف طول بلانك البالغ 1.6 × 10⁻³⁵ متر، وهو الجسم الأصغر مباشرةً في المستكشف.
لو جرى تكبير 1 يوكتومتر إلى عرض شعرة الإنسان، أي نحو 0.1 مليمتر، لبلغ عرض البروتون نحو 170 كيلومترًا، ولبلغ عرض الشعرة نحو سنة ضوئية.

أثقل جسيم معروف

تذكر مجموعة بيانات الجسيمات، التي تجمع قياسات الجسيمات في أنحاء العالم، أن كتلة الكوارك القمي تبلغ 172.56 ± 0.31 غيغا إلكترون فولت (GeV). يقيس فيزيائيو الجسيمات الكتلة بوحدات الطاقة هذه، والغيغا إلكترون فولت يساوي مليار إلكترون فولت. وكتلة الكوارك القمي قريبة من كتلة ذرة ذهب كاملة. وهي نحو 40 ضعفًا لكتلة الكوارك القعري، ثاني أثقل الكواركات.

الثقل لا يجعل الكوارك القمي كبيرًا. فالكتلة والحجم خاصيتان منفصلتان، ولم يُظهر أي كوارك، ثقيلًا كان أو خفيفًا، أي حجم في التجارب.

جسيم يكاد لا يبقى

أعلن علماء في تجربتي CDF وDZero اكتشاف الكوارك القمي في 2 مارس 1995. وقد عثروا عليه في مسرّع تيفاترون التابع لمختبر فيرميلاب، الذي كان يصادم البروتونات بالبروتونات المضادة. واليوم ينتج مصادم الهادرونات الكبير في سيرن كواركات قمية أزواجًا، ومعظمها ناتج عن تصادمات بين الغلونات، وهي الجسيمات التي تربط الكواركات معًا.

يتحلل الكوارك القمي في أقل من 10⁻²⁴ ثانية إلى بوزون W وكوارك قعري. أما الكواركات الأخرى فتتحد معًا في جسيمات أكبر تسمى الهادرونات، مثل البروتونات، لكن ذلك يستغرق عدة أضعاف 10⁻²⁴ ثانية. ويتحلل الكوارك القمي قبل أن يتمكن من الاتحاد بأي كواركات أخرى. وعمره أقصر من أن يُرصد مباشرة، لذا تتعرّف التجارب عليه من الجسيمات التي يتحلل إليها.