How big is Quark up?

O quark up é o mais leve dos seis tipos de quark, as partículas que formam prótons e nêutrons. Nenhum experimento mediu seu tamanho, então o valor mostrado não é uma medição. Os experimentos só mostraram que um quark, se tiver algum tamanho, tem no máximo cerca de um dois-milésimo da largura de um próton.

Tamanho

A linha de tamanho traz 10 zeptômetros. Um zeptômetro equivale a 10⁻²¹ metros, um milésimo de um bilionésimo de um bilionésimo de metro. A notação 10⁻²¹ significa 1 dividido por um 1 seguido de 21 zeros. O explorador dá um valor diferente para cada tipo de quark, mas nenhum experimento mediu o tamanho de nenhum deles.

Os físicos procuram o tamanho de uma partícula disparando outras partículas contra ela e observando como elas se espalham. O experimento ZEUS estudou colisões entre elétrons e prótons no acelerador HERA. Não encontrou nenhum sinal de que os quarks dentro dos prótons tivessem algum tamanho. Em 2016, relatou que o raio de um quark, se ele tiver um, deve ser menor que 4,3 × 10⁻¹⁹ metros.

Um quark, portanto, tem menos de cerca de 8,6 × 10⁻¹⁹ metros de largura. Isso é um limite superior, não um tamanho. É cerca de 86 vezes o valor no explorador, então os experimentos não descartam esse valor, mas também não o sustentam.

Comparações de tamanho

Um próton, com cerca de 1,7 femtômetro (1,7 × 10⁻¹⁵ metros) de largura, é cerca de 2.000 vezes mais largo que o maior tamanho que os experimentos permitem para um quark.
Se um quark nesse limite fosse ampliado ao tamanho de uma bola de tênis, com cerca de 6,7 centímetros de largura, um próton teria cerca de 130 metros de largura.
Na mesma escala, um átomo de hidrogênio teria cerca de 8.200 quilômetros de largura, cerca de dois terços da largura da Terra.
Cerca de 100 trilhões de quarks nesse limite, lado a lado, cobririam a largura de um fio de cabelo humano, que tem cerca de 0,1 milímetro de largura.

Dentro de prótons e nêutrons

A matéria comum é formada por dois tipos de quark, o quark up e o quark down. Um próton é formado por dois quarks up e um quark down. Um nêutron é formado por um quark up e dois quarks down.

Cada quark carrega uma fração da carga elétrica de um próton: +2/3 para um quark up e −1/3 para um quark down. As cargas dos três quarks de um próton somam +1. As cargas dos três quarks de um nêutron somam 0.

Os quarks são mantidos unidos por glúons, as partículas que carregam a força forte. Ninguém jamais encontrou um quark sozinho. Os físicos já procuraram quarks isolados na água do mar, em meteoritos, em raios cósmicos e em aceleradores de partículas, sem sucesso.

De onde vem a massa de um próton

O Particle Data Group, que reúne as medições de partículas feitas no mundo todo, atribui ao quark up uma massa de 2,16 MeV. Os físicos de partículas expressam massas em unidades de energia, e um MeV equivale a um milhão de elétrons-volt. O quark up tem menos da metade da massa do quark down, que é de 4,70 MeV.

A massa de um próton é de cerca de 938 MeV. Seus dois quarks up e um quark down somam apenas cerca de 9 MeV, ou cerca de 1% disso. Quase todo o restante vem das interações entre os quarks e os glúons que os mantêm unidos.