How big is Downquark?

De downquark is een van de twee soorten quark die samen met de upquark protonen en neutronen vormen. Geen enkel experiment heeft er een grootte voor gemeten, dus de getoonde waarde is geen meting. Experimenten hebben alleen vastgesteld dat een quark, als hij al een grootte heeft, hooguit ongeveer een tweeduizendste van de breedte van een proton is.

Grootte

In de grootteregel staat 8 zeptometer. Een zeptometer is 10⁻²¹ meter, een duizendste van een miljardste van een miljardste van een meter. De notatie 10⁻²¹ betekent 1 gedeeld door een 1 gevolgd door 21 nullen. Geen enkel experiment heeft een grootte gemeten voor welke soort quark dan ook.

Om naar een grootte te zoeken, schieten natuurkundigen deeltjes op een doelwit en onderzoeken ze hoe die terugkaatsen. Bij de HERA-versneller liet het ZEUS-experiment elektronen botsen met protonen en zag het geen teken dat de quarks erin een grootte hadden. In 2016 meldde het dat de straal van een quark kleiner moet zijn dan 4,3 × 10⁻¹⁹ meter. Dat betekent dat een quark minder dan ongeveer 8,6 × 10⁻¹⁹ meter breed is.

Die waarde is een bovengrens, geen grootte. Ze is ongeveer 110 keer zo groot als de waarde van 8 zeptometer in de verkenner. Experimenten sluiten de waarde van de verkenner dus niet uit, maar er is ook niets dat haar ondersteunt.

Groottevergelijkingen

Een proton, ongeveer 1,7 femtometer (1,7 × 10⁻¹⁵ meter) breed, is ongeveer 2.000 keer zo breed als de maximale grootte die experimenten voor een quark toelaten.
Als een quark met de maximaal toegelaten grootte werd vergroot tot de grootte van een basketbal, ongeveer 24 centimeter breed, zou een proton ongeveer 470 meter breed zijn.
Op dezelfde schaal zou een waterstofatoom ongeveer 30.000 kilometer breed zijn, meer dan twee keer de breedte van de Aarde.
Ongeveer 120 miljoen quarks met die maximale grootte, naast elkaar, zouden de breedte van een waterstofatoom beslaan, dat ongeveer 0,1 nanometer (een tiende van een miljardste van een meter) breed is.

Hoe een downquark verandert

Een neutron op zichzelf, buiten een atoomkern, is onstabiel. Gemiddeld blijft het ongeveer 15 minuten bestaan. Daarna vervalt het tot een proton, een elektron en een antineutrino, de antimateriepartner van een neutrino. Dit proces heet bètaverval.

Een neutron bestaat uit één upquark en twee downquarks, en een proton uit twee upquarks en één downquark. Bij bètaverval verandert de zwakke kracht een van de downquarks van het neutron in een upquark. Het neutron zendt een W-boson uit, een deeltje dat de zwakke kracht overbrengt, en het W-boson verandert in het elektron en het antineutrino.

Een downquark draagt −1/3 van de elektrische lading van een proton, en een upquark +2/3. De verandering verhoogt de lading van de quark met 1, en de lading van het elektron, −1, compenseert dat.

Hoe quarks werden gevonden

In de jaren vijftig ontdekten natuurkundigen een groot aantal nieuwe deeltjes en zochten ze naar een patroon daarin. Het idee van quarks werd in 1964 voorgesteld, met drie soorten: up, down en strange. De natuurkundige Murray Gell-Mann gaf quarks hun naam. Jarenlang kon geen enkele quark worden gevonden, en veel natuurkundigen zagen quarks alleen als wiskundige ideeën.

De eerste sporen kwamen van experimenten die in 1967 werden gestart door natuurkundigen van SLAC (het Stanford Linear Accelerator Center) en MIT. Met een versneller van ongeveer 3,2 kilometer lang schoten ze elektronen op protonen en neutronen. Veel meer elektronen kaatsten onder grote hoeken terug dan verwacht, een teken van kleine, harde korrels binnenin. Jerome Friedman, Henry Kendall en Richard Taylor deelden voor dit werk de Nobelprijs voor de Natuurkunde van 1990.