How big is Kwark górny?

Kwark górny jest najlżejszym z sześciu rodzajów kwarków, cząstek tworzących protony i neutrony. Żaden eksperyment nie zmierzył jego rozmiaru, więc podana wartość nie jest wynikiem pomiaru. Eksperymenty ustaliły jedynie, że kwark, jeśli w ogóle ma jakikolwiek rozmiar, ma nie więcej niż około jednej dwutysięcznej szerokości protonu.

Rozmiar

Wiersz rozmiaru podaje 10 zeptometrów. Zeptometr to 10⁻²¹ metra, czyli tysięczna część miliardowej części miliardowej części metra. Zapis 10⁻²¹ oznacza 1 podzielone przez jedynkę z 21 zerami. Eksplorator podaje dla każdego rodzaju kwarka inną wartość, ale żaden eksperyment nie zmierzył rozmiaru żadnego z nich.

Fizycy szukają rozmiaru cząstki, kierując na nią inne cząstki i obserwując, jak się rozpraszają. Eksperyment ZEUS badał zderzenia elektronów z protonami w akceleratorze HERA. Nie dostrzegł żadnych oznak, by kwarki wewnątrz protonów miały jakikolwiek rozmiar. W 2016 roku naukowcy z zespołu ZEUS donieśli, że promień kwarka, o ile kwark w ogóle ma jakiś promień, musi być mniejszy niż 4,3 × 10⁻¹⁹ metra.

Kwark ma więc mniej niż około 8,6 × 10⁻¹⁹ metra średnicy. To górna granica, a nie rozmiar. Jest około 86 razy większa niż wartość podana w eksploratorze, więc eksperymenty nie wykluczają wartości z eksploratora, ale też nic za nią nie przemawia.

Porównania rozmiarów

Proton, który ma około 1,7 femtometra (1,7 × 10⁻¹⁵ metra) średnicy, jest około 2000 razy szerszy niż największy rozmiar kwarka, jaki dopuszczają eksperymenty.
Gdyby kwark o rozmiarze równym tej granicy powiększyć do rozmiarów piłki tenisowej, która ma około 6,7 centymetra średnicy, proton miałby około 130 metrów średnicy.
W tej samej skali atom wodoru miałby około 8200 kilometrów średnicy, czyli około dwóch trzecich szerokości Ziemi.
Około 100 bilionów kwarków o rozmiarze równym tej granicy, ułożonych obok siebie, zmieściłoby się w poprzek ludzkiego włosa, który ma około 0,1 milimetra szerokości.

Wewnątrz protonów i neutronów

Zwykła materia jest zbudowana z dwóch rodzajów kwarków: kwarka górnego i kwarka dolnego. Proton składa się z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego. Neutron składa się z jednego kwarka górnego i dwóch dolnych.

Każdy kwark ma ułamek ładunku elektrycznego protonu: +2/3 w przypadku kwarka górnego i −1/3 w przypadku kwarka dolnego. Ładunki trzech kwarków protonu sumują się do +1. Ładunki trzech kwarków neutronu sumują się do 0.

Kwarki są utrzymywane razem przez gluony, cząstki przenoszące oddziaływanie silne. Nikt nigdy nie znalazł kwarka występującego samodzielnie. Fizycy szukali pojedynczych kwarków w wodzie morskiej, meteorytach, promieniowaniu kosmicznym i akceleratorach cząstek, bez powodzenia.

Skąd bierze się masa protonu

Particle Data Group, która zbiera wyniki pomiarów cząstek z całego świata, podaje, że masa kwarka górnego wynosi 2,16 MeV. Fizycy cząstek podają masy w jednostkach energii, a MeV to milion elektronowoltów. Kwark górny ma mniej niż połowę masy kwarka dolnego, wynoszącej 4,70 MeV.

Masa protonu wynosi około 938 MeV. Jego dwa kwarki górne i jeden dolny dają razem tylko około 9 MeV, czyli około 1% tej wartości. Niemal cała reszta pochodzi z oddziaływań między kwarkami a gluonami, które je wiążą.