How big is Topquark?

De topquark is anno 2026 het zwaarste bekende elementaire deeltje. Een elementair deeltje bestaat, voor zover experimenten kunnen nagaan, niet uit iets kleiners. Van de topquark is geen grootte gemeten, dus de 1 yoctometer hierboven is een invulwaarde en geen meting. Die waarde staat voor een grootte die veel kleiner is dan elk experiment kan waarnemen.

Grootte

Een yoctometer is 10⁻²⁴ meter, een biljoenste van een biljoenste van een meter. Geen enkel experiment heeft een grootte van de topquark gemeten, of van welke andere quark ook. In alle tests tot nu toe gedragen quarks zich als punten.

Natuurkundigen zoeken de grootte van een deeltje door er andere deeltjes op af te schieten en te kijken hoe die terugkaatsen. Het ZEUS-experiment onderzocht botsingen tussen elektronen en protonen bij de HERA-versneller en zag geen aanwijzing dat de quarks in de protonen enige grootte hadden. In 2016 meldde het experiment dat de straal van die quarks, als ze er al een hebben, kleiner moet zijn dan 4,3 × 10⁻¹⁹ meter. Dat is een bovengrens en geen grootte. Die grens komt van de quarks in protonen en niet van de topquark.

Groottevergelijkingen

De bovengrens voor de quarks in protonen, ongeveer 8,6 × 10⁻¹⁹ meter breed, is ongeveer 860.000 keer zo groot als de waarde in de verkenner.
Een proton, ongeveer 1,7 femtometer (1,7 × 10⁻¹⁵ meter) breed, is ongeveer 2.000 keer zo breed als die bovengrens voor een quark.
De 1 yoctometer van de verkenner is ongeveer 60 miljard keer de Plancklengte, 1,6 × 10⁻³⁵ meter, het eerstvolgende kleinere object in de verkenner.
Als 1 yoctometer werd vergroot tot de breedte van een mensenhaar, ongeveer 0,1 millimeter, zou een proton ongeveer 170 kilometer breed zijn en zou het haar ongeveer een lichtjaar breed zijn.

Het zwaarste bekende deeltje

De Particle Data Group, die de deeltjesmetingen van over de hele wereld verzamelt, geeft de massa van de topquark als 172,56 ± 0,31 GeV. Deeltjesfysici meten massa in deze energie-eenheden, en een GeV is een miljard elektronvolt. De massa van de topquark ligt dicht bij die van een heel goudatoom. De topquark is ongeveer 40 keer zo zwaar als de bottomquark, de op een na zwaarste quark.

Zwaar zijn maakt de topquark niet groot. Massa en grootte zijn aparte eigenschappen, en bij geen enkele quark, zwaar of licht, hebben experimenten enige grootte laten zien.

Een deeltje dat nauwelijks blijft bestaan

Wetenschappers van de experimenten CDF en DZero maakten de ontdekking van de topquark op 2 maart 1995 bekend. Ze vonden het deeltje bij de Tevatron-versneller van Fermilab, waarin protonen en antiprotonen op elkaar botsten. Tegenwoordig produceert de Large Hadron Collider van CERN topquarks in paren, vooral uit botsingen tussen gluonen, de deeltjes die quarks bij elkaar houden.

Een topquark vervalt in minder dan 10⁻²⁴ seconden tot een W-boson en een bottomquark. Andere quarks voegen zich samen tot grotere deeltjes, hadronen genoemd, zoals protonen, maar dat duurt meerdere keren 10⁻²⁴ seconden. De topquark vervalt voordat hij in een hadron terecht kan komen. Hij leeft te kort om rechtstreeks te worden waargenomen, dus experimenten herkennen hem aan de deeltjes waarin hij vervalt.