מה הגודל של קווארק למטה?

קווארק למטה, יחד עם קווארק למעלה, הוא אחד משני סוגי הקווארקים המרכיבים פרוטונים ונייטרונים. אף ניסוי לא מדד לו גודל, ולכן הנתון המוצג אינו תוצאה של מדידה. הניסויים מצאו רק שקווארק, אם יש לו גודל כלשהו, אינו גדול מכחצי אלפית מרוחבו של פרוטון.

גודל

שורת הגודל מציגה 8 זפטומטרים. זפטומטר הוא 10⁻²¹ מטרים, אלפית ממיליארדית ממיליארדית המטר. הסימון 10⁻²¹ פירושו 1 חלקי 1 ואחריו 21 אפסים. אף ניסוי לא מדד גודל לאף סוג של קווארק.

כדי לחפש גודל, פיזיקאים יורים חלקיקים אל מטרה ובוחנים כיצד הם ניתזים ממנה. בניסוי ZEUS, במאיץ HERA, גרמו החוקרים לאלקטרונים להתנגש בפרוטונים ולא מצאו סימן לכך שלקווארקים שבתוכם יש גודל כלשהו. ב-2016 דיווחו חוקרי הניסוי שרדיוס של קווארק חייב להיות קטן מ-4.3 × 10⁻¹⁹ מטרים. כלומר, רוחבו של קווארק קטן מכ-8.6 × 10⁻¹⁹ מטרים.

המספר הזה הוא חסם עליון, לא גודל. הוא גדול בערך פי 110 מהנתון של האתר, 8 זפטומטרים. לכן הניסויים אינם שוללים את הנתון של האתר, אך גם אין דבר שתומך בו.

השוואות גודל

פרוטון, שרוחבו כ-1.7 פמטומטרים (1.7 × 10⁻¹⁵ מטרים), רחב בערך פי 2,000 מהגודל הגדול ביותר שהניסויים מאפשרים לקווארק.
אילו קווארק בגבול הזה הוגדל לגודל של כדור כדורסל, שרוחבו כ-24 סנטימטרים, פרוטון היה ברוחב של כ-470 מטרים.
באותו קנה מידה, אטום מימן היה ברוחב של כ-30,000 קילומטרים, יותר מפי שניים מרוחבו של כדור הארץ.
כ-120 מיליון קווארקים בגבול הזה, זה לצד זה, היו משתרעים על פני אטום מימן, שרוחבו כ-0.1 ננומטרים (עשירית ממיליארדית המטר).

כיצד קווארק למטה משתנה

נייטרון בודד, מחוץ לגרעין אטום, אינו יציב. בממוצע הוא מחזיק מעמד כ-15 דקות. לאחר מכן הוא דועך לפרוטון, לאלקטרון ולאנטי-נייטרינו, בן הזוג של נייטרינו באנטי-חומר. התהליך הזה נקרא דעיכת בטא.

נייטרון מורכב מקווארק למעלה אחד ומשני קווארקים מסוג מטה, ופרוטון משני קווארקים מסוג מעלה ומקווארק למטה אחד. בדעיכת בטא הכוח החלש הופך אחד מקווארקי המטה של הנייטרון לקווארק למעלה. הנייטרון פולט בוזון W, חלקיק הנושא את הכוח החלש, ובוזון W הופך לאלקטרון ולאנטי-נייטרינו.

מטענו החשמלי של קווארק למטה הוא −1/3 ממטען הפרוטון, ומטענו של קווארק למעלה הוא +2/3. השינוי מעלה את מטען הקווארק ב-1, ומטענו של האלקטרון, −1, מאזן אותו.

כיצד התגלו הקווארקים

בשנות ה-50 גילו פיזיקאים מספר רב של חלקיקים חדשים וחיפשו ביניהם דפוס. הרעיון של קווארקים הוצע ב-1964, והוא כלל שלושה סוגים: מעלה, מטה ומוזר. הפיזיקאי מארי גל-מן נתן לקווארקים את שמם. במשך שנים לא ניתן היה למצוא אף אחד מהם, ופיזיקאים רבים ראו בהם רעיונות מתמטיים בלבד.

הסימנים הראשונים הגיעו מניסויים שפיזיקאים מ-SLAC (מרכז המאיץ הליניארי של סטנפורד) ומ-MIT התחילו ב-1967. הם ירו אלקטרונים, לאורך מאיץ שאורכו כ-3.2 קילומטרים, אל פרוטונים ונייטרונים. אלקטרונים רבים בהרבה מהצפוי ניתזו בזוויות גדולות, סימן לגרגרים קטנים וקשים בתוך החלקיקים. ג'רום פרידמן, הנרי קנדל וריצ'רד טיילור זכו יחד בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1990 על עבודה זו.