How big is Quark charmé?

Le quark charmé est l'un des six types de quarks. Les quarks sont des particules élémentaires, qui ne sont faites de rien de plus petit à ce que les expériences peuvent en dire, et elles constituent les briques de base des protons, des neutrons et de bien d'autres particules. Aucune expérience n'a mesuré de taille pour le quark charmé, donc le 1 zeptomètre indiqué ci-dessus n'est pas une mesure. Un zeptomètre vaut 10⁻²¹ mètre, soit un milliardième de billionième de mètre.

Taille

Dans toutes les expériences menées jusqu'ici, les quarks se comportent comme des points. Pour chercher la taille d'une particule, les physiciens en projettent d'autres contre elle et observent comment elles rebondissent. L'expérience ZEUS a procédé ainsi à l'accélérateur HERA, en faisant entrer en collision des électrons et des protons, sans trouver aucun signe que les quarks à l'intérieur aient une taille.

En 2016, ZEUS a indiqué que le rayon de ces quarks, s'ils en ont un, doit être inférieur à 4,3 × 10⁻¹⁹ mètres. Cela les rend inférieurs à 8,6 × 10⁻¹⁹ mètres de diamètre. Il s'agit d'une limite supérieure, non d'une taille, et elle provient des quarks à l'intérieur des protons, non des quarks charmés eux-mêmes. Le 1 zeptomètre de l'explorateur est bien en dessous de cette limite, si bien qu'aucune expérience ne peut ni le confirmer ni l'exclure.

Comparaisons de taille

Un proton, d'environ 1,7 femtomètre (1,7 × 10⁻¹⁵ mètre) de diamètre, est environ 2 000 fois plus large que cette limite supérieure pour un quark.
Si la limite supérieure pour un quark était agrandie à la largeur d'une balle de tennis, environ 6,7 centimètres, un proton mesurerait environ 130 mètres de diamètre. Un atome d'hydrogène mesurerait environ 8 200 kilomètres de diamètre, soit environ les deux tiers de la largeur de la Terre.
La limite supérieure pour un quark est environ 50 millions de milliards (5 × 10¹⁶) fois la longueur de Planck, la valeur définie immédiatement plus petite dans l'explorateur.

La révolution de novembre

En novembre 1974, deux équipes travaillant séparément ont découvert la même nouvelle particule. L'équipe de Burton Richter, au Stanford Linear Accelerator Center, l'a appelée psi, et celle de Samuel Ting, au Brookhaven National Laboratory, l'a appelée J. Le 11 novembre, les deux responsables se sont rencontrés et ont compris qu'ils avaient fait la même découverte. Richter et Ting ont partagé le prix Nobel de physique 1976.

Le J/psi, comme on l'appelle aujourd'hui, est un quark charmé lié à un antiquark charmé, son partenaire d'antimatière. Il a duré environ mille fois plus longtemps que les physiciens ne s'y attendaient, et beaucoup en ont conclu qu'il fallait un quatrième type de quark pour l'expliquer. Le charme avait déjà été prédit, et sa découverte a porté à quatre le nombre de quarks connus.

Masse et charge

Le Particle Data Group, qui rassemble des mesures de particules venues du monde entier, donne pour le quark charmé une masse de 1,273 GeV. Les physiciens des particules mesurent la masse dans des unités d'énergie, et un GeV vaut un milliard d'électronvolts. Cela rend le quark charmé environ 1,4 fois plus lourd qu'un proton entier, et presque 600 fois plus lourd qu'un quark up. Sa charge électrique vaut les deux tiers de celle d'un proton.

Comme les autres quarks, les quarks charmés ne se trouvent jamais seuls. Toutes les recherches d'un quark libre menées depuis 1977 sont restées vaines.