How big is Quark top?

En 2026, le quark top est la particule élémentaire la plus lourde connue. Une particule élémentaire n'est faite de rien de plus petit, du moins d'après ce que montrent les expériences. Le quark top n'a pas de taille mesurée, si bien que le 1 yoctomètre indiqué ci-dessus est un simple repère plutôt qu'une mesure. Il représente une taille bien plus petite que ce qu'aucune expérience ne peut détecter.

Taille

Un yoctomètre vaut 10⁻²⁴ mètre, soit un billionième de billionième de mètre. Aucune expérience n'a mesuré de taille pour le quark top, ni pour aucun autre quark. Dans tous les tests réalisés à ce jour, les quarks se comportent comme des points.

Pour chercher la taille d'une particule, les physiciens en projettent d'autres contre elle et observent comment elles rebondissent. L'expérience ZEUS a étudié des collisions entre électrons et protons à l'accélérateur HERA, sans trouver aucun signe que les quarks à l'intérieur des protons aient une taille. En 2016, elle a indiqué que le rayon de ces quarks, s'ils en ont un, doit être inférieur à 4,3 × 10⁻¹⁹ mètres. Il s'agit d'une limite supérieure, non d'une taille, et elle provient des quarks trouvés à l'intérieur des protons, non du quark top lui-même.

Comparaisons de taille

La limite supérieure pour les quarks à l'intérieur des protons, environ 8,6 × 10⁻¹⁹ mètres de diamètre, est environ 860 000 fois la valeur de l'explorateur.
Un proton, d'environ 1,7 femtomètre (1,7 × 10⁻¹⁵ mètre) de diamètre, est environ 2 000 fois plus large que cette limite supérieure pour un quark.
Le 1 yoctomètre de l'explorateur représente environ 60 milliards de fois la longueur de Planck, 1,6 × 10⁻³⁵ mètre, la valeur immédiatement plus petite dans l'explorateur.
Si le 1 yoctomètre était agrandi à la largeur d'un cheveu humain, environ 0,1 millimètre, un proton mesurerait environ 170 kilomètres de diamètre, et le cheveu ferait environ une année-lumière de large.

La particule la plus lourde connue

Le Particle Data Group, qui rassemble les mesures de particules du monde entier, donne pour le quark top une masse de 172,56 ± 0,31 GeV. Les physiciens des particules mesurent la masse dans ces unités d'énergie, et un GeV vaut un milliard d'électronvolts. La masse du quark top est proche de celle d'un atome d'or entier. Elle est environ 40 fois celle du quark bottom, le quark le plus lourd juste après lui.

Être lourd ne rend pas le quark top grand pour autant. La masse et la taille sont des propriétés distinctes, et aucun quark, lourd ou léger, n'a montré de taille dans les expériences.

Une particule à la vie très brève

Les scientifiques des expériences CDF et DZero ont annoncé la découverte du quark top le 2 mars 1995. Ils l'ont trouvé à l'accélérateur Tevatron du Fermilab, qui faisait entrer en collision des protons et des antiprotons. Aujourd'hui, le Grand collisionneur de hadrons du CERN produit des quarks top par paires, la plupart du temps à partir de collisions entre gluons, les particules qui maintiennent les quarks ensemble.

Un quark top se désintègre en moins de 10⁻²⁴ seconde, en un boson W et un quark bottom. Les autres quarks s'assemblent en particules plus grandes appelées hadrons, comme les protons, mais cela prend plusieurs fois 10⁻²⁴ seconde. Le quark top se désintègre avant de pouvoir s'assembler à d'autres. Sa durée de vie est trop courte pour l'observer directement, si bien que les expériences l'identifient à partir des particules issues de sa désintégration.