How big is Toppkvark?
1 yoctometer!
Toppkvarken är den tyngsta kända elementarpartikeln år 2026. En elementarpartikel består inte av något mindre, såvitt experiment kan avgöra. Toppkvarken har ingen uppmätt storlek, så värdet 1 yoctometer som visas ovan är en platshållare och inte en mätning. Platshållaren står för en storlek som är mycket mindre än något experiment kan upptäcka.
Storlek
En yoctometer är 10−24 meter, en biljondel av en biljondel av en meter. Inget experiment har mätt någon storlek för toppkvarken, eller för någon annan kvark. I alla tester hittills beter sig kvarkar som punkter.
Fysiker undersöker en partikels storlek genom att skjuta andra partiklar mot den och se hur de studsar. ZEUS-experimentet studerade kollisioner mellan elektroner och protoner vid HERA-acceleratorn och såg inga tecken på att kvarkarna inuti protonerna hade någon storlek. År 2016 rapporterade ZEUS att radien hos dessa kvarkar, om de har någon, måste vara mindre än 4,3 × 10−19 meter. Det är en övre gräns, inte en storlek, och den kommer från kvarkarna inuti protoner och inte från toppkvarken.
Storleksjämförelser
- Den övre gränsen för kvarkarna inuti protoner, cirka 8,6 × 10−19 meter i diameter, är ungefär 860 000 gånger utforskarens värde.
- En proton, cirka 1,7 femtometer (1,7 × 10−15 meter) i diameter, är ungefär 2 000 gånger så bred som den övre gränsen för en kvark.
- Utforskarens 1 yoctometer är ungefär 60 miljarder gånger så lång som en plancklängd, som är 1,6 × 10−35 meter och är nästa mindre objekt i utforskaren.
- Om 1 yoctometer förstorades till bredden av ett människohår, ungefär 0,1 millimeter, skulle en proton vara ungefär 170 kilometer i diameter, och hårstrået skulle vara ungefär ett ljusår brett.
Den tyngsta kända partikeln
Particle Data Group, som samlar världens partikelmätningar, anger toppkvarkens massa till 172,56 ± 0,31 GeV. Partikelfysiker mäter massa i dessa energienheter, och en GeV är en miljard elektronvolt. Toppkvarkens massa ligger nära massan hos en hel guldatom. Den är ungefär 40 gånger massan hos en bottenkvark, den näst tyngsta kvarken.
Att vara tung gör inte toppkvarken stor. Massa och storlek är skilda egenskaper, och ingen kvark, vare sig tung eller lätt, har visat någon storlek i experiment.
En partikel som knappt finns kvar
Forskare vid experimenten CDF och DZero tillkännagav upptäckten av toppkvarken den 2 mars 1995. De hittade den vid acceleratorn Tevatron vid Fermilab, där protoner kolliderade med antiprotoner. Idag skapar Large Hadron Collider vid CERN toppkvarkar parvis, mestadels genom kollisioner mellan gluoner, de partiklar som håller ihop kvarkar.
En toppkvark sönderfaller på mindre än 10−24 sekunder, till en W-boson och en bottenkvark. Andra kvarkar slår sig samman till större partiklar som kallas hadroner, till exempel protoner, men det tar flera gånger 10−24 sekunder. Toppkvarken sönderfaller innan den hinner ingå i någon hadron. Den lever för kort tid för att kunna observeras direkt, så experiment identifierar den utifrån de partiklar som den sönderfaller till.
Källor
- Summary Tables: Quarks. Particle Data Group, 2025.
- Limits on the effective quark radius from inclusive ep scattering at HERA. ZEUS Collaboration, Physics Letters B, 2016.
- The Last Quark. ATLAS Experiment, CERN, 2021.
- Twenty-fifth anniversary of the discovery of the top quark at Fermilab. Fermilab, 2020.
- Scientists recall the discovery of the top quark 30 years ago at Fermilab. Fermilab, 2025.
- SI prefixes. International Bureau of Weights and Measures.
- Proton rms charge radius. NIST CODATA, 2022.
- Planck length. NIST CODATA, 2022.
- Atomic mass constant energy equivalent in MeV. NIST CODATA, 2022.
- Gold. Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights, 2017.
- Measuring the Universe. International Astronomical Union.
- Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.