How big is Strange-Quark?

Das Strange-Quark ist das drittleichteste der sechs Quark-Arten. Es kommt in kurzlebigen Teilchen wie Kaonen vor, während gewöhnliche Materie aus den leichteren Up- und Down-Quarks aufgebaut ist. Kein Experiment hat seine Größe gemessen, weshalb die angegebene Zahl keine Messung ist. Experimente haben lediglich herausgefunden, dass Quarks, falls sie überhaupt eine Größe haben, nicht mehr als etwa ein Zweitausendstel der Breite eines Protons betragen.

Größe

Die Größenangabe lautet 4 Zeptometer. Ein Zeptometer entspricht 10⁻²¹ Metern, einem Tausendstel eines Milliardstel eines Milliardstel Meters. Die Schreibweise 10⁻²¹ bedeutet 1 geteilt durch eine 1 mit 21 folgenden Nullen. Kein Experiment hat für irgendeine Quark-Art eine Größe gemessen.

Experimente haben stattdessen nur eine Obergrenze festgelegt. Am Teilchenbeschleuniger HERA ließ das ZEUS-Experiment Elektronen mit Protonen kollidieren und fand keinen Hinweis darauf, dass die Quarks darin eine Größe hätten. 2016 berichtete es, der Radius eines Quarks müsse kleiner als 4,3 × 10⁻¹⁹ Meter sein, sodass ein Quark einen Durchmesser von weniger als etwa 8,6 × 10⁻¹⁹ Metern hat.

Diese Grenze stammt von Quarks in Protonen, nicht speziell von Strange-Quarks. Sie ist etwa 200-mal so groß wie der im Explorer angegebene Wert, weshalb kein Experiment diesem Wert widerspricht, ihn aber auch keines bestätigt.

Größenvergleiche

Ein Proton, mit einem Durchmesser von etwa 1,7 Femtometern (1,7 × 10⁻¹⁵ Meter), ist etwa 2.000-mal so breit wie die größte Größe, die Experimente für ein Quark zulassen.
Wäre ein Proton auf die Größe eines Basketballs vergrößert – mit einem Durchmesser von etwa 24 Zentimetern –, wäre ein Quark an dieser Grenze etwa 0,12 Millimeter groß, etwas breiter als ein typisches Menschenhaar.
Bei diesem Maßstab hätte ein Wasserstoffatom einen Durchmesser von etwa 15 Kilometern.

Die ersten seltsamen Teilchen

1947 berichteten Clifford Butler und George Rochester von der University of Manchester über Spuren von Teilchen, wie sie zuvor noch niemand gesehen hatte. Sie hatten sie in einer Nebelkammer fotografiert, einem Gerät, in dem elektrisch geladene Teilchen Spuren aus winzigen Wölkchen hinterlassen. Die Teilchen wurden später als Kaonen bekannt.

Kaonen passten in keines der damaligen physikalischen Bilder. Sie waren schwer – etwa halb so schwer wie ein Proton – zerfielen aber erst nach vergleichsweise langer Zeit. In den 1950er-Jahren erklärten Murray Gell-Mann, Kazuo Nishijima, Abraham Pais und andere dies mit einer neuen Eigenschaft namens Strangeness. Der Name brachte zum Ausdruck, wie seltsam die Teilchen den Physikern schon immer erschienen waren.

Heute lässt sich Strangeness auf das Strange-Quark zurückführen. Ein positives Kaon beispielsweise besteht aus einem Up-Quark und einem Strange-Antiquark, dem Antimaterie-Partner des Strange-Quarks.

Ein schwereres Quark

Die Particle Data Group, die weltweit Teilchenmessungen sammelt, gibt die Masse des Strange-Quarks mit 93,5 MeV an. Teilchenphysiker geben Massen in Energieeinheiten an, und ein MeV entspricht einer Million Elektronenvolt. Die Masse des Strange-Quarks beträgt etwa das 20-Fache der Masse eines Down-Quarks und das 43-Fache der Masse eines Up-Quarks.

Schwerere Quarks sind instabil, und die schwache Kernkraft wandelt sie in leichtere um. Deshalb zerfallen Teilchen, die Strange-Quarks enthalten, irgendwann. Ein positives Kaon überlebt im Mittel etwa 12 Milliardstel Sekunden. Das Lambda-Teilchen, das aus einem Up-, einem Down- und einem Strange-Quark besteht, existiert im Schnitt etwa ein Viertel einer Milliardstel Sekunde.