How big is 꼭대기 쿼크?

꼭대기 쿼크는 2026년 현재 알려진 가장 무거운 소립자이다. 소립자는 실험으로 알 수 있는 한 더 작은 것으로 이루어져 있지 않다. 꼭대기 쿼크는 측정된 크기가 없으므로, 위에 표시된 1욕토미터는 측정값이 아니라 자리를 채우는 값이다. 이 값은 어떤 실험으로도 검출할 수 없을 만큼 훨씬 작은 크기를 뜻한다.

크기

1욕토미터는 10⁻²⁴미터로, 1조분의 1의 1조분의 1미터이다. 꼭대기 쿼크든 다른 어떤 쿼크든 크기가 측정된 적은 없다. 지금까지의 모든 시험에서 쿼크는 점처럼 행동한다.

물리학자들은 입자에 다른 입자를 쏘아 어떻게 튕겨 나오는지 관찰하여 그 입자의 크기를 알아낸다. ZEUS 실험은 HERA 가속기에서 전자와 양성자의 충돌을 연구했으며, 양성자 속 쿼크에 크기가 있다는 징후를 찾지 못했다. 2016년에 이 실험은 그 쿼크에 반지름이 있다면 4.3 × 10⁻¹⁹미터보다 작아야 한다고 보고했다. 이 값은 크기가 아니라 상한이며, 꼭대기 쿼크가 아니라 양성자 속에서 발견되는 쿼크에서 얻은 것이다.

크기 비교

양성자 속 쿼크의 상한값은 지름이 약 8.6 × 10⁻¹⁹미터로, 이 사이트에 표시된 크기의 약 86만 배이다.
양성자는 지름이 약 1.7펨토미터(1.7 × 10⁻¹⁵미터)로, 쿼크의 그 상한값의 약 2,000배이다.
이 사이트의 1욕토미터는 이 사이트에서 한 단계 더 작은 대상인 플랑크 길이(1.6 × 10⁻³⁵미터)의 약 600억 배이다.
1욕토미터를 사람 머리카락의 굵기인 약 0.1밀리미터로 확대한다면, 양성자는 지름이 약 170킬로미터일 것이고, 머리카락은 굵기가 약 1광년일 것이다.

알려진 가장 무거운 입자

전 세계의 입자 측정값을 모으는 입자 데이터 그룹은 꼭대기 쿼크의 질량을 172.56 ± 0.31GeV로 제시한다. 입자물리학자들은 질량을 이런 에너지 단위로 나타내며, 1GeV는 10억 전자볼트이다. 꼭대기 쿼크의 질량은 금 원자 하나 전체의 질량과 비슷하다. 또 두 번째로 무거운 쿼크인 바닥 쿼크 질량의 약 40배이다.

무겁다고 해서 꼭대기 쿼크가 큰 것은 아니다. 질량과 크기는 서로 다른 성질이며, 무거운 쿼크든 가벼운 쿼크든 실험에서 크기를 보인 쿼크는 없다.

겨우 잠깐 존재하는 입자

CDF와 DZero 실험의 과학자들은 1995년 3월 2일에 꼭대기 쿼크의 발견을 발표했다. 이들은 양성자와 반양성자를 충돌시키는 페르미 국립 가속기 연구소의 테바트론 가속기에서 꼭대기 쿼크를 찾아냈다. 오늘날에는 유럽입자물리연구소(CERN)의 대형 강입자 충돌기가 꼭대기 쿼크를 쌍으로 만들어 내며, 대부분 글루온끼리의 충돌에서 만들어진다. 글루온은 쿼크를 서로 붙들어 두는 입자이다.

꼭대기 쿼크는 10⁻²⁴초보다 짧은 시간 안에 W 보손과 바닥 쿼크로 붕괴한다. 다른 쿼크들은 서로 결합하여 양성자 같은 더 큰 입자인 강입자를 이루는데, 이 과정에는 10⁻²⁴초의 몇 배가 걸린다. 꼭대기 쿼크는 다른 쿼크와 결합하기 전에 붕괴한다. 수명이 너무 짧아 직접 관측할 수 없으므로, 실험에서는 붕괴로 생기는 입자를 통해 꼭대기 쿼크를 알아낸다.