How big is D-kvark?

Alumine kvark on koos ülemise kvargiga üks kahest kvargiliigist, millest koosnevad prootonid ja neutronid. Ükski katse pole selle suurust mõõtnud, seega pole näidatud arv mõõtetulemus. Katsetega on leitud vaid, et kvargi suurus – kui sellel üldse mingi suurus on – ei ületa umbes ühte kahetuhandikku prootoni laiusest.

Suurus

Saidil on suuruseks antud 8 zeptomeetrit. Zeptomeeter on 10⁻²¹ meetrit ehk meetri miljardiku miljardiku tuhandik. Märge 10⁻²¹ tähendab 1 jagatud arvuga, mis koosneb ühest ja sellele järgnevast 21 nullist. Ühegi kvargiliigi suurust pole ükski katse mõõtnud.

Suuruse otsimiseks lasevad füüsikud osakesi sihtmärgile ja uurivad, kuidas need tagasi põrkuvad. HERA kiirendis lasi katse ZEUS elektronid prootonitega kokku põrkama ega märganud mingit märki, et prootonite sees olevatel kvarkidel oleks mingi suurus. 2016. aastal teatati katse põhjal, et kvargi raadius peab olema väiksem kui 4,3 × 10⁻¹⁹ meetrit. Seega on kvargi läbimõõt väiksem kui umbes 8,6 × 10⁻¹⁹ meetrit.

See arv on ülempiir, mitte suurus. See piir on umbes 110 korda suurem kui saidil toodud 8 zeptomeetrit. Katsed ei välista seega saidil toodud arvu, kuid miski ei toeta seda ka.

Suuruste võrdlused

Prooton, mille läbimõõt on umbes 1,7 femtomeetrit (1,7 × 10⁻¹⁵ meetrit), on umbes 2 000 korda laiem kui suurim suurus, mille katsed kvargile lubavad.
Kui sellel piiril olev kvark oleks suurendatud korvpalli suuruseks, mille läbimõõt on umbes 24 sentimeetrit, oleks prooton umbes 470 meetrit lai.
Samas mõõtkavas oleks vesinikuaatom umbes 30 000 kilomeetrit lai, rohkem kui kaks korda Maa laius.
Umbes 120 miljonit sellel piiril olevat kvarki, kõrvuti asetatud, ulatuksid vesinikuaatomi laiuseni, milleks on umbes 0,1 nanomeetrit (meetri miljardiku kümnendik).

Kuidas alumine kvark muutub

Väljaspool aatomituuma olev üksik neutron on ebastabiilne. Keskmiselt püsib ta umbes 15 minutit. Siis laguneb neutron prootoniks, elektroniks ja antineutriinoks, mis on neutriino antiaineline vaste. Seda protsessi nimetatakse beetalagunemiseks.

Neutron koosneb ühest ülemisest ja kahest alumisest kvargist, prooton kahest ülemisest ja ühest alumisest kvargist. Beetalagunemisel muudab nõrk vastastikmõju ühe neutroni alumistest kvarkidest ülemiseks kvargiks. Neutron kiirgab välja W-bosoni, nõrka vastastikmõju vahendava osakese, ja W-boson muutub elektroniks ja antineutriinoks.

Alumise kvargi elektrilaeng on −1/3 prootoni elektrilaengust, ülemise kvargi oma +2/3. Muutus suurendab kvargi laengut 1 võrra ning elektroni laeng −1 tasakaalustab selle.

Kuidas kvarke leiti

1950. aastatel avastasid füüsikud suure hulga uusi osakesi ja otsisid nende vahelt seaduspära. Kvarkide idee pakuti välja 1964. aastal, kolme liigiga: ülemine, alumine ja veider. Kvarkidele andis nime füüsik Murray Gell-Mann. Aastaid ei õnnestunud ühtegi leida ja paljud füüsikud pidasid neid vaid matemaatilisteks ideedeks.

Esimesed jäljed andsid katsed, mille alustasid 1967. aastal SLAC-i (Stanfordi lineaarkiirendi keskuse) ja MIT-i füüsikud. Nad lasid umbes 3,2 kilomeetri pikkuses kiirendis elektrone prootonitele ja neutronitele. Suurte nurkade all põrkas tagasi palju rohkem elektrone, kui oodati, ja see oli märk sees olevatest väikestest kõvadest terakestest. Jerome Friedman, Henry Kendall ja Richard Taylor jagasid selle töö eest 1990. aasta Nobeli füüsikaauhinda.