How big is 아래 쿼크?

아래 쿼크는 위 쿼크와 함께 양성자와 중성자를 이루는 두 종류의 쿼크 중 하나이다. 아래 쿼크의 크기를 측정한 실험은 없으므로, 표시된 값은 측정값이 아니다. 실험으로 알아낸 것은 쿼크에 크기가 있다 하더라도 양성자 지름의 약 2,000분의 1을 넘지 않는다는 사실뿐이다.

크기

크기 표시에는 8젭토미터로 나와 있다. 1젭토미터는 10⁻²¹미터로, 1미터의 10억분의 1의 10억분의 1의 1,000분의 1이다. 10⁻²¹이라는 표기는 1을, 1 뒤에 0이 21개 붙은 수로 나눈 값을 뜻한다. 어떤 종류의 쿼크도 크기를 측정한 실험은 없다.

크기를 찾으려고 물리학자들은 표적에 입자를 쏘아 입자가 어떻게 튕겨 나오는지 살핀다. HERA 가속기의 ZEUS 실험은 전자와 양성자를 충돌시켰고, 양성자 안의 쿼크에 크기가 있다는 징후를 발견하지 못했다. 이 실험은 2016년에 쿼크의 반지름이 4.3 × 10⁻¹⁹미터보다 작아야 한다고 보고했다. 따라서 쿼크의 지름은 약 8.6 × 10⁻¹⁹미터보다 작다.

이 값은 크기가 아니라 상한이다. 이 상한은 이 사이트가 제시한 값인 8젭토미터의 약 110배이다. 따라서 실험이 이 사이트의 값을 배제하지는 못하지만, 그 값을 뒷받침하는 것도 없다.

크기 비교

양성자의 지름은 약 1.7펨토미터(1.7 × 10⁻¹⁵미터)로, 실험이 쿼크에 허용하는 최대 크기의 약 2,000배이다.
그 최대 크기의 쿼크를 지름이 약 24센티미터인 농구공 크기로 확대한다면, 양성자는 지름이 약 470미터일 것이다.
같은 비율로 하면 수소 원자는 지름이 약 30,000킬로미터로, 지구 지름의 2배가 넘는다.
그 최대 크기의 쿼크 약 1억 2000만 개를 옆으로 나란히 늘어놓으면, 지름이 약 0.1나노미터(1미터의 10억분의 1의 10분의 1)인 수소 원자의 지름에 해당한다.

아래 쿼크가 바뀌는 방식

원자핵 밖에 홀로 있는 중성자는 불안정하다. 평균적으로 약 15분 동안 존재한 뒤, 양성자, 전자, 그리고 중성미자의 반물질 짝인 반중성미자로 붕괴한다. 이 과정을 베타 붕괴라고 한다.

중성자는 위 쿼크 1개와 아래 쿼크 2개로, 양성자는 위 쿼크 2개와 아래 쿼크 1개로 이루어져 있다. 베타 붕괴에서는 약력이 중성자의 아래 쿼크 하나를 위 쿼크로 바꾼다. 이때 중성자는 약력을 전달하는 입자인 W 보손을 내놓고, W 보손은 전자와 반중성미자로 바뀐다.

아래 쿼크의 전하는 양성자 전하의 −1/3이고, 위 쿼크의 전하는 +2/3이다. 이 변화로 쿼크의 전하는 1만큼 늘어나며, 전자의 전하 −1이 이를 상쇄한다.

쿼크가 발견된 과정

1950년대에 물리학자들은 수많은 새로운 입자를 발견했고, 이 입자들 사이에서 규칙을 찾으려 했다. 1964년에 위 쿼크, 아래 쿼크, 기묘 쿼크의 세 종류로 이루어진 쿼크라는 개념이 제안되었다. 물리학자 머리 겔만이 쿼크라는 이름을 붙였다. 여러 해 동안 쿼크는 하나도 발견되지 않았고, 많은 물리학자는 쿼크를 수학적 개념으로만 여겼다.

첫 흔적은 1967년에 SLAC(스탠퍼드 선형 가속기 센터)와 MIT의 물리학자들이 시작한 실험에서 나왔다. 이들은 길이가 약 3.2킬로미터인 가속기로 전자를 양성자와 중성자에 쏘았다. 예상보다 훨씬 많은 전자가 큰 각도로 튕겨 나왔는데, 이는 안쪽에 작고 단단한 알갱이가 있다는 신호였다. 제롬 프리드먼, 헨리 켄들, 리처드 테일러는 이 연구로 1990년 노벨 물리학상을 공동 수상했다.