How big is Nedkvark?

Nedkvarken är en av de två slags kvarkar som bygger upp protoner och neutroner, tillsammans med uppkvarken. Inget experiment har mätt någon storlek för den, så den siffra som visas är ingen mätning. Experimenten har bara funnit att en kvark, om den över huvud taget har någon storlek, är högst ungefär en tvåtusendel av en protons bredd.

Storlek

Storleksraden anger 8 zeptometer. En zeptometer är 10⁻²¹ meter, en tusendel av en miljarddel av en miljarddel av en meter. Skrivsättet 10⁻²¹ betyder 1 delat med en etta följd av 21 nollor. Inget experiment har mätt storleken hos någon sorts kvark.

För att söka efter en storlek skjuter fysiker partiklar mot ett mål och studerar hur de studsar bort. Vid acceleratorn HERA lät experimentet ZEUS elektroner kollidera med protoner och såg inga tecken på att kvarkarna inuti hade någon storlek. År 2016 rapporterade ZEUS att en kvarks radie måste vara mindre än 4,3 × 10⁻¹⁹ meter. Det innebär att en kvark är mindre än ungefär 8,6 × 10⁻¹⁹ meter i diameter.

Den siffran är en övre gräns, inte en storlek. Gränsen är ungefär 110 gånger utforskarens siffra på 8 zeptometer. Experimenten utesluter därför inte utforskarens siffra, men ingenting stöder den heller.

Storleksjämförelser

En proton, cirka 1,7 femtometer (1,7 × 10⁻¹⁵ meter) i diameter, är ungefär 2 000 gånger så bred som den största storlek som experimenten tillåter för en kvark.
Om en kvark vid den gränsen förstorades till storleken av en basketboll, cirka 24 centimeter i diameter, skulle en proton vara cirka 470 meter i diameter.
I samma skala skulle en väteatom vara cirka 30 000 kilometer i diameter, mer än dubbelt så bred som jorden.
Cirka 120 miljoner kvarkar vid den gränsen, uppradade sida vid sida, skulle spänna över en väteatom, som är cirka 0,1 nanometer (en tiondel av en miljarddels meter) i diameter.

Hur en nedkvark förändras

En neutron ensam, utanför en atomkärna, är instabil. I genomsnitt varar den cirka 15 minuter. Sedan sönderfaller den till en proton, en elektron och en antineutrino, som är antimateriens motsvarighet till en neutrino. Den här processen kallas betasönderfall.

En neutron består av en uppkvark och två nedkvarkar, och en proton av två uppkvarkar och en nedkvark. Vid betasönderfall förvandlar den svaga kraften en av neutronens nedkvarkar till en uppkvark. Neutronen avger en W-boson, en partikel som förmedlar den svaga kraften, och W-bosonen förvandlas till elektronen och antineutrinon.

En nedkvark har −1/3 av en protons elektriska laddning, och en uppkvark har +2/3. Förändringen höjer kvarkens laddning med 1, och elektronens laddning på −1 väger upp ökningen.

Hur kvarkarna hittades

Under 1950-talet upptäckte fysiker ett stort antal nya partiklar och sökte efter ett mönster bland dem. Idén om kvarkar lades fram år 1964, med tre sorter: uppkvark, nedkvark och särkvark. Fysikern Murray Gell-Mann gav kvarkarna deras namn. I åratal gick ingen kvark att hitta, och många fysiker såg kvarkarna bara som matematiska idéer.

De första spåren kom från experiment som inleddes år 1967 av fysiker från SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) och MIT. De sköt elektroner längs en cirka 3,2 kilometer lång accelerator mot protoner och neutroner. Många fler elektroner än väntat studsade bort i stora vinklar, ett tecken på små, hårda korn inuti. Jerome Friedman, Henry Kendall och Richard Taylor delade nobelpriset i fysik 1990 för detta arbete.