How big is Down-Quark?

Das Down-Quark ist eine der beiden Quark-Arten, aus denen Protonen und Neutronen bestehen, neben dem Up-Quark. Kein Experiment hat eine Größe dafür gemessen, daher ist der gezeigte Wert keine Messung. Experimente haben lediglich gezeigt, dass ein Quark, falls es überhaupt eine Größe hat, höchstens etwa ein Zweitausendstel der Breite eines Protons misst.

Größe

Die Größenangabe lautet 8 Zeptometer. Ein Zeptometer sind 10⁻²¹ Meter, ein Tausendstel eines Milliardstels eines Milliardstels eines Meters. Die Schreibweise 10⁻²¹ bedeutet 1 geteilt durch eine 1 mit 21 Nullen. Kein Experiment hat eine Größe für irgendeine Quark-Art gemessen.

Um eine Größe zu finden, schießen Physiker Teilchen auf ein Ziel und untersuchen, wie sie abprallen. Am HERA-Beschleuniger ließ das ZEUS-Experiment Elektronen mit Protonen kollidieren und fand keinen Hinweis darauf, dass die Quarks darin eine Größe hatten. 2016 berichtete es von einer Obergrenze für den Radius eines Quarks von weniger als 4,3 × 10⁻¹⁹ Metern. Damit ist ein Quark kleiner als etwa 8,6 × 10⁻¹⁹ Meter im Durchmesser.

Dieser Wert ist eine Obergrenze, keine tatsächliche Größe. Er ist etwa 110-mal so groß wie der Wert von 8 Zeptometern im Explorer. Experimente schließen den Wert im Explorer daher nicht aus, aber sie stützen ihn auch nicht.

Größenvergleiche

Ein Proton, etwa 1,7 Femtometer (1,7 × 10⁻¹⁵ Meter) im Durchmesser, ist etwa 2.000-mal so breit wie die größte Größe, die Experimente für ein Quark zulassen.
Wäre ein Quark an dieser Grenze auf die Größe eines Basketballs vergrößert, etwa 24 Zentimeter im Durchmesser, wäre ein Proton etwa 470 Meter groß.
Auf derselben Skala wäre ein Wasserstoffatom etwa 30.000 Kilometer groß, mehr als doppelt so breit wie die Erde.
Rund 120 Millionen Quarks an dieser Grenze, nebeneinander aufgereiht, würden die Breite eines Wasserstoffatoms ergeben, das etwa 0,1 Nanometer (ein Zehntel eines Milliardstels eines Meters) groß ist.

Wie sich ein Down-Quark verändert

Ein Neutron allein, außerhalb eines Atomkerns, ist instabil. Im Durchschnitt besteht es etwa 15 Minuten lang. Danach zerfällt es in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino, das Antimaterie-Gegenstück eines Neutrinos. Dieser Vorgang wird Betazerfall genannt.

Ein Neutron besteht aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks, ein Proton aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark. Beim Betazerfall wandelt die schwache Wechselwirkung eines der Down-Quarks im Neutron in ein Up-Quark um. Das Neutron gibt dabei ein W-Boson ab, ein Teilchen, das die schwache Wechselwirkung überträgt, und das W-Boson wandelt sich in das Elektron und das Antineutrino um.

Ein Down-Quark trägt −1/3 der elektrischen Ladung eines Protons, ein Up-Quark +2/3. Die Umwandlung erhöht die Ladung des Quarks um 1, und die Ladung des Elektrons von −1 gleicht dies aus.

Wie Quarks gefunden wurden

In den 1950er-Jahren entdeckten Physiker eine große Zahl neuer Teilchen und suchten nach einem Muster unter ihnen. Die Idee der Quarks wurde 1964 vorgeschlagen, mit drei Arten: Up, Down und Strange. Der Physiker Murray Gell-Mann gab den Quarks ihren Namen. Jahrelang konnte keines gefunden werden, und viele Physiker betrachteten sie nur als mathematische Konzepte.

Die ersten Spuren stammten aus Experimenten, die 1967 von Physikern des SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) und des MIT begonnen wurden. Sie schossen Elektronen durch einen etwa 3,2 Kilometer langen Beschleuniger auf Protonen und Neutronen. Viel mehr Elektronen prallten in großen Winkeln ab als erwartet – ein Zeichen für kleine, harte Körner im Inneren. Jerome Friedman, Henry Kendall und Richard Taylor teilten sich dafür 1990 den Nobelpreis für Physik.