How big is Quark up?

Le quark up est le plus léger des six types de quarks, les particules qui composent les protons et les neutrons. Aucune expérience n'a mesuré sa taille, donc le chiffre indiqué n'est pas une mesure. Les expériences ont seulement montré que si un quark a une taille, elle ne dépasse pas environ un deux-millième de la largeur d'un proton.

Taille

La ligne de taille indique 10 zeptomètres. Un zeptomètre vaut 10⁻²¹ mètre, soit un millième d'un milliardième d'un milliardième de mètre. La notation 10⁻²¹ signifie 1 divisé par un 1 suivi de 21 zéros. L'explorateur attribue un chiffre différent à chaque type de quark, mais aucune expérience n'a mesuré la taille de l'un d'eux.

Les physiciens cherchent la taille d'une particule en lui envoyant d'autres particules et en observant comment elles se dispersent. L'expérience ZEUS a étudié des collisions entre des électrons et des protons à l'accélérateur HERA. Elle n'a trouvé aucun signe que les quarks à l'intérieur des protons aient une taille. En 2016, elle a signalé que le rayon d'un quark, s'il en a un, devait être inférieur à 4,3 × 10⁻¹⁹ mètres.

Un quark mesure donc moins d'environ 8,6 × 10⁻¹⁹ mètres de diamètre. Il s'agit d'une limite supérieure, pas d'une taille. Cela représente environ 86 fois le chiffre de l'explorateur ; les expériences n'excluent donc pas ce chiffre, mais elles ne le confirment pas non plus.

Comparaisons de taille

Un proton, d'environ 1,7 femtomètre (1,7 × 10⁻¹⁵ mètre) de diamètre, est environ 2 000 fois plus large que la plus grande taille que les expériences permettent pour un quark.
Si un quark à cette limite était agrandi à la taille d'une balle de tennis, d'environ 6,7 centimètres de diamètre, un proton mesurerait environ 130 mètres de diamètre.
À la même échelle, un atome d'hydrogène mesurerait environ 8 200 kilomètres de diamètre, soit environ les deux tiers de la largeur de la Terre.
Environ 100 billions de quarks à cette limite, mis côte à côte, couvriraient un cheveu humain d'environ 0,1 millimètre de large.

À l'intérieur des protons et des neutrons

La matière ordinaire est constituée de deux types de quarks, le quark up et le quark down. Un proton est formé de deux quarks up et d'un quark down. Un neutron est formé d'un quark up et de deux quarks down.

Chaque quark porte une fraction de la charge électrique d'un proton : +2/3 pour un quark up et −1/3 pour un quark down. Les charges des trois quarks d'un proton s'additionnent pour donner +1. Celles des trois quarks d'un neutron s'additionnent pour donner 0.

Les quarks sont maintenus ensemble par des gluons, les particules qui transmettent la force forte. Personne n'a jamais trouvé de quark isolé. Les physiciens ont cherché des quarks isolés dans l'eau de mer, les météorites, les rayons cosmiques et les accélérateurs de particules, sans succès.

D'où vient la masse d'un proton

Le Particle Data Group, qui rassemble les mesures de particules du monde entier, donne pour le quark up une masse de 2,16 MeV. Les physiciens des particules expriment les masses en unités d'énergie, et un MeV correspond à un million d'électronvolts. Le quark up a moins de la moitié de la masse du quark down, qui est de 4,70 MeV.

La masse d'un proton est d'environ 938 MeV. Ses deux quarks up et son quark down totalisent seulement environ 9 MeV, soit environ 1 % de ce total. Presque tout le reste provient des interactions entre les quarks et les gluons qui les lient.