How big is d-кварк?

d-кварк — один із двох видів кварків, з яких складаються протони й нейтрони; другий вид — u-кварк. Жоден експеримент не виміряв його розміру, тому показане значення не є результатом вимірювання. Експерименти показали лише, що кварк, якщо він узагалі має розмір, не перевищує приблизно двотисячної частки ширини протона.

Розмір

У рядку розміру вказано 8 зептометрів. Зептометр — це 10⁻²¹ метра, тисячна частка мільярдної частки мільярдної частки метра. Запис 10⁻²¹ означає 1, поділену на одиницю, після якої стоїть 21 нуль. Жоден експеримент не виміряв розміру жодного виду кварків.

Щоб знайти розмір, фізики спрямовують частинки на мішень і вивчають, як вони відскакують. На прискорювачі HERA в експерименті ZEUS стикали електрони з протонами й не побачили жодних ознак того, що кварки всередині мають розмір. У 2016 році експеримент повідомив про те, що радіус кварка має бути меншим за 4,3 × 10⁻¹⁹ метра. Отже, кварк має менше ніж приблизно 8,6 × 10⁻¹⁹ метра в поперечнику.

Це значення — верхня межа, а не розмір. Воно приблизно в 110 разів більше за значення 8 зептометрів на цьому сайті. Тож експерименти не виключають значення цього сайту, але й ніщо його не підтверджує.

Порівняння розмірів

Протон, що має в поперечнику приблизно 1,7 фемтометра (1,7 × 10⁻¹⁵ метра), приблизно в 2 000 разів ширший за найбільший розмір, який експерименти допускають для кварка.
Якби кварк граничного розміру збільшили до розміру баскетбольного м’яча, тобто діаметром приблизно 24 сантиметри, протон мав би в поперечнику приблизно 470 метрів.
У тому самому масштабі атом водню мав би в поперечнику приблизно 30 000 кілометрів, а це більш ніж удвічі більше за ширину Землі.
Приблизно 120 мільйонів кварків граничного розміру, розташованих бік о бік, дорівнювали б за шириною атому водню, який має в поперечнику приблизно 0,1 нанометра (одну десяту мільярдної частки метра).

Як змінюється d-кварк

Нейтрон сам по собі, поза атомним ядром, нестабільний. У середньому він існує близько 15 хвилин. Потім він розпадається на протон, електрон і антинейтрино — партнера нейтрино з антиматерії. Цей процес називають бета-розпадом.

Нейтрон складається з одного u-кварка й двох d-кварків, а протон — із двох u-кварків і одного d-кварка. У бета-розпаді слабка взаємодія перетворює один із d-кварків нейтрона на u-кварк. Нейтрон випромінює W-бозон — частинку, що переносить слабку взаємодію, а W-бозон перетворюється на електрон і антинейтрино.

Заряд d-кварка дорівнює −1/3 електричного заряду протона, а заряд u-кварка — +2/3. Унаслідок цієї зміни заряд кварка зростає на 1, а заряд електрона, що дорівнює −1, це зростання врівноважує.

Як знайшли кварки

Протягом 1950-х років фізики відкрили велику кількість нових частинок і шукали серед них закономірність. Ідею кварків запропонували 1964 року: три види — верхній (u), нижній (d) і дивний (s). Назву «кварки» дав фізик Мюррей Гелл-Манн. Роками жодного кварка не вдавалося знайти, і багато фізиків вважали їх лише математичними ідеями.

Перші сліди дали експерименти, які 1967 року розпочали фізики зі SLAC (Стенфордського центру лінійного прискорювача) та Массачусетського технологічного інституту (MIT). Вони спрямовували електрони, розігнані в прискорювачі завдовжки близько 3,2 кілометра, на протони й нейтрони. Набагато більше електронів, ніж очікували, відскакувало під великими кутами, а це ознака маленьких твердих зернин усередині. Джером Фрідман, Генрі Кендалл і Річард Тейлор розділили між собою Нобелівську премію з фізики 1990 року за цю роботу.