How big is Quark down?

O quark down é um dos dois tipos de quark que formam prótons e nêutrons, junto com o quark up. Nenhum experimento mediu seu tamanho, então o valor mostrado não é uma medição. Os experimentos só mostraram que um quark, se tiver algum tamanho, tem no máximo cerca de um dois-milésimo da largura de um próton.

Tamanho

A linha de tamanho traz 8 zeptômetros. Um zeptômetro equivale a 10⁻²¹ metros, um milésimo de um bilionésimo de um bilionésimo de metro. A notação 10⁻²¹ significa 1 dividido por um 1 seguido de 21 zeros. Nenhum experimento mediu o tamanho de nenhum tipo de quark.

Para procurar um tamanho, os físicos disparam partículas contra um alvo e estudam como elas ricocheteiam. No acelerador HERA, o experimento ZEUS colidiu elétrons com prótons e não viu nenhum sinal de que os quarks internos tivessem algum tamanho. Em 2016, relatou que o raio de um quark deve ser menor que 4,3 × 10⁻¹⁹ metros. Isso faz com que um quark tenha menos de cerca de 8,6 × 10⁻¹⁹ metros de largura.

Esse valor é um limite superior, não um tamanho. É cerca de 110 vezes o valor de 8 zeptômetros no explorador. Os experimentos, portanto, não descartam o valor do explorador, mas também não há nada que o sustente.

Comparações de tamanho

Um próton, com cerca de 1,7 femtômetro (1,7 × 10⁻¹⁵ metros) de largura, é cerca de 2.000 vezes mais largo que o maior tamanho que os experimentos permitem para um quark.
Se um quark nesse limite fosse ampliado ao tamanho de uma bola de basquete, com cerca de 24 centímetros de largura, um próton teria cerca de 470 metros de largura.
Na mesma escala, um átomo de hidrogênio teria cerca de 30.000 quilômetros de largura, mais do que o dobro da largura da Terra.
Cerca de 120 milhões de quarks nesse limite, lado a lado, cobririam um átomo de hidrogênio, que tem cerca de 0,1 nanômetro (um décimo de um bilionésimo de metro) de largura.

Como um quark down se transforma

Um nêutron sozinho, fora de um núcleo atômico, é instável. Em média, ele dura cerca de 15 minutos. Depois, decai em um próton, um elétron e um antineutrino, o parceiro de antimatéria de um neutrino. Esse processo é chamado de decaimento beta.

Um nêutron é formado por um quark up e dois quarks down, e um próton, por dois quarks up e um quark down. No decaimento beta, a força fraca transforma um dos quarks down do nêutron em um quark up. O nêutron emite um bóson W, uma partícula que carrega a força fraca, e o bóson W se transforma no elétron e no antineutrino.

Um quark down carrega −1/3 da carga elétrica de um próton, e um quark up carrega +2/3. Essa mudança aumenta a carga do quark em 1, e a carga −1 do elétron a compensa.

Como os quarks foram descobertos

Durante a década de 1950, os físicos descobriram um grande número de novas partículas e buscaram um padrão entre elas. A ideia dos quarks foi proposta em 1964, com três tipos: up, down e strange. O físico Murray Gell-Mann deu o nome aos quarks. Por anos, nenhum pôde ser encontrado, e muitos físicos os consideravam apenas ideias matemáticas.

Os primeiros indícios vieram de experimentos iniciados em 1967 por físicos do SLAC (o Centro do Acelerador Linear de Stanford) e do MIT. Eles disparavam elétrons ao longo de um acelerador com cerca de 3,2 quilômetros de comprimento contra prótons e nêutrons. Muito mais elétrons ricochetearam em grandes ângulos do que o esperado, um sinal da existência de pequenos grãos rígidos em seu interior. Jerome Friedman, Henry Kendall e Richard Taylor dividiram o Prêmio Nobel de Física de 1990 por esse trabalho.