How big is Quark down?

Le quark down est l'un des deux types de quarks qui composent les protons et les neutrons, avec le quark up. Aucune expérience n'a mesuré sa taille, donc le chiffre indiqué n'est pas une mesure. Les expériences ont seulement montré que si un quark a une taille, elle ne dépasse pas environ un deux-millième de la largeur d'un proton.

Taille

La ligne de taille indique 8 zeptomètres. Un zeptomètre vaut 10⁻²¹ mètre, soit un millième d'un milliardième d'un milliardième de mètre. La notation 10⁻²¹ signifie 1 divisé par un 1 suivi de 21 zéros. Aucune expérience n'a mesuré la taille d'un quark, quel qu'en soit le type.

Pour chercher une taille, les physiciens envoient des particules sur une cible et étudient la façon dont elles rebondissent. À l'accélérateur HERA, l'expérience ZEUS a fait entrer en collision des électrons et des protons, sans trouver aucun signe que les quarks à l'intérieur aient une taille. En 2016, elle a signalé que le rayon d'un quark devait être inférieur à 4,3 × 10⁻¹⁹ mètres. Cela donne un quark de moins d'environ 8,6 × 10⁻¹⁹ mètres de diamètre.

Ce chiffre est une limite supérieure, pas une taille. Il représente environ 110 fois le chiffre de 8 zeptomètres donné par l'explorateur. Les expériences n'excluent donc pas ce chiffre, mais rien ne le confirme non plus.

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 la plus grande taille que les expériences permettent pour un quark.
Si un quark à cette limite était agrandi à la taille d'un ballon de basket, d'environ 24 centimètres de diamètre, un proton mesurerait environ 470 mètres de diamètre.
À la même échelle, un atome d'hydrogène mesurerait environ 30 000 kilomètres de diamètre, soit plus du double de la largeur de la Terre.
Environ 120 millions de quarks à cette limite, mis côte à côte, couvriraient un atome d'hydrogène, qui mesure environ 0,1 nanomètre (un dixième de milliardième de mètre) de diamètre.

Comment un quark down se transforme

Un neutron livré à lui-même, en dehors d'un noyau atomique, est instable. Il dure en moyenne environ 15 minutes. Il se désintègre ensuite en un proton, un électron et un antineutrino, le partenaire d'antimatière du neutrino. Ce processus s'appelle la désintégration bêta.

Un neutron est constitué d'un quark up et de deux quarks down, et un proton de deux quarks up et d'un quark down. Lors de la désintégration bêta, la force faible transforme l'un des quarks down du neutron en quark up. Le neutron émet un boson W, une particule qui transmet la force faible, et le boson W se transforme ensuite en l'électron et l'antineutrino.

Un quark down porte −1/3 de la charge électrique d'un proton, et un quark up porte +2/3. Cette transformation augmente la charge du quark de 1, une hausse que compense la charge de −1 de l'électron.

Comment les quarks ont été découverts

Dans les années 1950, les physiciens ont découvert un grand nombre de nouvelles particules et ont cherché à en dégager une logique. L'idée des quarks a été proposée en 1964, avec trois types : up, down et étrange. Le physicien Murray Gell-Mann leur a donné leur nom. Pendant des années, aucun n'a pu être observé, et de nombreux physiciens n'y voyaient que des concepts mathématiques.

Les premiers indices sont venus d'expériences lancées en 1967 par des physiciens du SLAC (le Stanford Linear Accelerator Center) et du MIT. Ils ont envoyé des électrons le long d'un accélérateur d'environ 3,2 kilomètres de long, en direction de protons et de neutrons. Beaucoup plus d'électrons que prévu ont rebondi à de grands angles, signe de petits grains durs à l'intérieur. Jerome Friedman, Henry Kendall et Richard Taylor ont partagé le prix Nobel de physique 1990 pour ces travaux.