How big is Top-Quark?

Das Top-Quark ist nach dem Stand von 2026 das schwerste bekannte Elementarteilchen. Ein Elementarteilchen besteht nicht aus noch kleineren Teilen, soweit Experimente das feststellen können. Für das Top-Quark wurde keine Größe gemessen, deshalb ist die oben angegebene Größe von 1 Yoktometer ein Platzhalter und kein Messwert. Sie steht für eine Größe, die weit unter allem liegt, was ein Experiment erfassen kann.

Größe

Ein Yoktometer ist 10⁻²⁴ Meter, also ein Billionstel von einem Billionstel Meter. Weder für das Top-Quark noch für irgendein anderes Quark hat ein Experiment eine Größe gemessen. In allen bisherigen Tests 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 untersuchte am Beschleuniger HERA Zusammenstöße von Elektronen und Protonen und fand kein Anzeichen dafür, dass die Quarks in den Protonen irgendeine Größe haben. Im Jahr 2016 berichtete das Experiment, dass der Radius dieser Quarks, falls sie überhaupt einen haben, kleiner als 4,3 × 10⁻¹⁹ Meter sein muss. Das ist eine Obergrenze, keine Größe, und sie stammt von den Quarks in Protonen, nicht vom Top-Quark.

Größenvergleiche

Die Obergrenze für die Quarks in Protonen, etwa 8,6 × 10⁻¹⁹ Meter im Durchmesser, ist etwa 860.000-mal so groß wie der Wert im Explorer.
Ein Proton hat einen Durchmesser von etwa 1,7 Femtometern (1,7 × 10⁻¹⁵ Meter) und ist damit etwa 2.000-mal so breit wie diese Obergrenze für ein Quark.
Der Wert von 1 Yoktometer im Explorer ist etwa 60 Milliarden Mal so groß wie die Planck-Länge von 1,6 × 10⁻³⁵ Metern, der nächstkleinere Eintrag im Explorer.
Würde man 1 Yoktometer auf die Dicke eines Menschenhaares vergrößern, also auf etwa 0,1 Millimeter, dann wäre ein Proton etwa 170 Kilometer breit und das Haar etwa ein Lichtjahr dick.

Das schwerste bekannte Teilchen

Die Particle Data Group, die die Messungen der Teilchenphysik aus aller Welt sammelt, gibt die Masse des Top-Quarks mit 172,56 ± 0,31 GeV an. In der Teilchenphysik misst man Masse in diesen Energieeinheiten, und ein GeV ist eine Milliarde Elektronenvolt. Diese Masse kommt der eines ganzen Goldatoms nahe. Das Top-Quark ist etwa 40-mal so schwer wie das Bottom-Quark, das zweitschwerste Quark.

Dass das Top-Quark schwer ist, macht es nicht groß. Masse und Größe sind verschiedene Eigenschaften, und kein Quark, ob schwer oder leicht, hat in Experimenten irgendeine Größe gezeigt.

Ein Teilchen, das fast sofort zerfällt

Die Forschungsteams der Experimente CDF und DZero gaben die Entdeckung des Top-Quarks am 2. März 1995 bekannt. Sie fanden es am Tevatron-Beschleuniger des Fermilab, der Protonen mit Antiprotonen zusammenstoßen ließ. Heute erzeugt der Large Hadron Collider am CERN Top-Quarks paarweise, meist bei Zusammenstößen von Gluonen, den Teilchen, die Quarks zusammenhalten.

Ein Top-Quark zerfällt in weniger als 10⁻²⁴ Sekunden in ein W-Boson und ein Bottom-Quark. Andere Quarks verbinden sich zu größeren Teilchen, den Hadronen, zu denen zum Beispiel Protonen gehören. Das dauert aber ein Mehrfaches von 10⁻²⁴ Sekunden, und das Top-Quark zerfällt vorher. Weil es zu kurzlebig ist, um direkt beobachtet zu werden, erkennen Experimente es an den Teilchen, in die es zerfällt.