How big is Charm-Quark?

Das Charm-Quark ist eine der sechs Quark-Arten. Quarks sind Elementarteilchen, die – soweit Experimente zeigen – aus nichts Kleinerem bestehen, und sie sind die Bausteine von Protonen, Neutronen und vielen anderen Teilchen. Kein Experiment hat eine Größe für das Charm-Quark gemessen, daher ist der oben gezeigte Wert von 1 Zeptometer keine Messung. Ein Zeptometer sind 10⁻²¹ Meter, ein Milliardstel eines Billionstels eines Meters.

Größe

In allen bisherigen Experimenten verhalten sich Quarks wie Punkte. Physiker suchen nach der Größe eines Teilchens, indem sie andere Teilchen darauf schießen und beobachten, wie diese abprallen. Das ZEUS-Experiment tat dies am HERA-Beschleuniger, indem es Elektronen mit Protonen kollidieren ließ, und fand keinen Hinweis darauf, dass die Quarks darin eine Größe hatten.

2016 berichtete ZEUS von einer Obergrenze für den Radius dieser Quarks – sofern sie überhaupt einen haben – von weniger als 4,3 × 10⁻¹⁹ Metern. Damit sind sie kleiner als 8,6 × 10⁻¹⁹ Meter im Durchmesser. Das ist eine Obergrenze, keine tatsächliche Größe, und sie stammt von Quarks innerhalb von Protonen, nicht von Charm-Quarks selbst. Das 1 Zeptometer im Explorer liegt weit unter dieser Grenze, sodass kein Experiment es bestätigen oder ausschließen könnte.

Größenvergleiche

Ein Proton, etwa 1,7 Femtometer (1,7 × 10⁻¹⁵ Meter) im Durchmesser, ist etwa 2.000-mal so breit wie die Obergrenze für ein Quark.
Wäre die Obergrenze für ein Quark auf die Breite eines Tennisballs vergrößert, etwa 6,7 Zentimeter, wäre ein Proton etwa 130 Meter breit. Ein Wasserstoffatom wäre etwa 8.200 Kilometer breit, etwa zwei Drittel der Breite der Erde.
Die Obergrenze für ein Quark ist etwa 50 Billiarden (5 × 10¹⁶) Mal so groß wie die Planck-Länge, der nächste kleinere Eintrag im Explorer mit einem definierten Wert.

Die Novemberrevolution

Im November 1974 fanden zwei unabhängig voneinander arbeitende Teams dasselbe neue Teilchen. Das Team von Burton Richter am Stanford Linear Accelerator Center nannte es Psi, und das Team von Samuel Ting am Brookhaven National Laboratory nannte es J. Am 11. November trafen sich die beiden Leiter und erkannten, dass sie dieselbe Entdeckung gemacht hatten. Richter und Ting teilten sich 1976 den Nobelpreis für Physik.

Das J/psi, wie es heute genannt wird, besteht aus einem Charm-Quark, das an sein Antimaterie-Gegenstück, ein Charm-Antiquark, gebunden ist. Es bestand etwa tausendmal länger, als Physiker erwartet hatten, und viele schlossen daraus, dass zu seiner Erklärung eine vierte Quark-Art nötig war. Charm war bereits vorhergesagt worden, und seine Entdeckung brachte die Zahl der bekannten Quarks auf vier.

Masse und Ladung

Die Particle Data Group, die Teilchenmessungen aus aller Welt sammelt, gibt die Masse des Charm-Quarks mit 1,273 GeV an. Teilchenphysiker messen Masse in Energieeinheiten, und ein GeV entspricht einer Milliarde Elektronenvolt. Damit ist ein Charm-Quark etwa 1,4-mal so schwer wie ein ganzes Proton und fast 600-mal so schwer wie ein Up-Quark. Seine elektrische Ladung beträgt zwei Drittel der eines Protons.

Wie andere Quarks werden auch Charm-Quarks nie allein gefunden. Jede Suche nach einem freien Quark seit 1977 blieb erfolglos.