How big is Kwark dolny?

Kwark dolny jest jednym z dwóch rodzajów kwarków tworzących protony i neutrony, obok kwarka górnego. Żaden eksperyment nie zmierzył jego rozmiaru, więc podana wartość nie jest wynikiem pomiaru. Eksperymenty ustaliły jedynie, że kwark, jeśli w ogóle ma jakikolwiek rozmiar, ma nie więcej niż około jedną dwutysięczną szerokości protonu.

Rozmiar

Wiersz rozmiaru podaje 8 zeptometrów. Zeptometr to 10⁻²¹ metra, czyli tysięczna część miliardowej części miliardowej części metra. Zapis 10⁻²¹ oznacza 1 podzielone przez jedynkę z 21 zerami. Żaden eksperyment nie zmierzył rozmiaru żadnego rodzaju kwarka.

Aby szukać rozmiaru, fizycy kierują cząstki na tarczę i badają, jak się od niej odbijają. W akceleratorze HERA eksperyment ZEUS zderzał elektrony z protonami i nie dostrzegł żadnych oznak, by kwarki wewnątrz protonów miały jakikolwiek rozmiar. W 2016 roku naukowcy z zespołu ZEUS donieśli, że promień kwarka musi być mniejszy niż 4,3 × 10⁻¹⁹ metra. Z tego wynika, że kwark ma mniej niż około 8,6 × 10⁻¹⁹ metra średnicy.

Ta wartość to górna granica, a nie rozmiar. Jest około 110 razy większa niż 8 zeptometrów podane w eksploratorze. Dlatego eksperymenty nie wykluczają wartości z eksploratora, ale też nic za nią nie przemawia.

Porównania rozmiarów

Proton, który ma około 1,7 femtometra (1,7 × 10⁻¹⁵ metra) średnicy, jest około 2000 razy szerszy niż największy rozmiar kwarka, jaki dopuszczają eksperymenty.
Gdyby kwark o rozmiarze równym tej granicy powiększyć do rozmiarów piłki do koszykówki, która ma około 24 centymetrów średnicy, proton miałby około 470 metrów średnicy.
W tej samej skali atom wodoru miałby około 30 000 kilometrów średnicy, czyli ponad dwa razy więcej niż szerokość Ziemi.
Około 120 milionów kwarków o rozmiarze równym tej granicy, ułożonych obok siebie, zmieściłoby się na szerokości atomu wodoru, który ma około 0,1 nanometra (jedną dziesiątą miliardowej części metra) średnicy.

Jak zmienia się kwark dolny

Neutron, który występuje osobno, poza jądrem atomowym, jest nietrwały. Średnio istnieje około 15 minut. Potem rozpada się na proton, elektron i antyneutrino, antymaterialny odpowiednik neutrina. Ten proces nazywa się rozpadem beta.

Neutron składa się z jednego kwarka górnego i dwóch dolnych, a proton z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego. W rozpadzie beta oddziaływanie słabe zamienia jeden z kwarków dolnych neutronu w kwark górny. Neutron emituje bozon W, cząstkę przenoszącą oddziaływanie słabe, a bozon W przekształca się w elektron i antyneutrino.

Kwark dolny ma −1/3 ładunku elektrycznego protonu, a kwark górny +2/3. Ta zmiana zwiększa ładunek kwarka o 1, a ładunek elektronu, równy −1, to równoważy.

Jak znaleziono kwarki

W latach 50. XX wieku fizycy odkryli dużą liczbę nowych cząstek i szukali wśród nich jakiejś prawidłowości. Ideę kwarków zaproponowano w 1964 roku. Obejmowała trzy rodzaje: górny, dolny i dziwny. Nazwę kwarkom nadał fizyk Murray Gell-Mann. Przez lata nie można było znaleźć żadnego z nich, a wielu fizyków uważało je jedynie za pojęcia matematyczne.

Pierwsze ślady przyniosły eksperymenty rozpoczęte w 1967 roku przez fizyków z SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) i MIT. Strzelali oni elektronami, rozpędzanymi w akceleratorze o długości około 3,2 kilometra, do protonów i neutronów. Znacznie więcej elektronów odbiło się pod dużymi kątami, niż oczekiwano, co było oznaką małych, twardych ziaren wewnątrz. W 1990 roku Jerome Friedman, Henry Kendall i Richard Taylor otrzymali wspólnie za tę pracę Nagrodę Nobla z fizyki.