How big is Up-Quark?

Das Up-Quark ist das leichteste der sechs Quark-Arten, jener Teilchen, aus denen Protonen und Neutronen bestehen. 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 10 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. Der Explorer gibt für jede Quark-Art einen anderen Wert an, doch kein Experiment hat für eine von ihnen eine Größe gemessen.

Physiker suchen nach der Größe eines Teilchens, indem sie andere Teilchen darauf schießen und beobachten, wie sie streuen. Das ZEUS-Experiment untersuchte Kollisionen zwischen Elektronen und Protonen am HERA-Beschleuniger. Es fand keinen Hinweis darauf, dass die Quarks in den Protonen eine Größe hatten. 2016 berichtete es von einer Obergrenze für den Radius eines Quarks – sofern es überhaupt einen hat – von weniger als 4,3 × 10⁻¹⁹ Metern.

Ein Quark ist daher kleiner als etwa 8,6 × 10⁻¹⁹ Meter im Durchmesser. Das ist eine Obergrenze, keine tatsächliche Größe. Sie ist etwa 86-mal so groß wie der Wert im Explorer, sodass Experimente diesen Wert nicht ausschließen, ihn aber auch nicht stützen.

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 Tennisballs vergrößert, etwa 6,7 Zentimeter im Durchmesser, wäre ein Proton etwa 130 Meter groß.
Auf derselben Skala wäre ein Wasserstoffatom etwa 8.200 Kilometer groß, etwa zwei Drittel der Breite der Erde.
Rund 100 Billionen Quarks an dieser Grenze, nebeneinander aufgereiht, würden die Breite eines menschlichen Haars von etwa 0,1 Millimetern ergeben.

In Protonen und Neutronen

Gewöhnliche Materie besteht aus zwei Quark-Arten, dem Up-Quark und dem Down-Quark. Ein Proton besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark. Ein Neutron besteht aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks.

Jedes Quark trägt einen Bruchteil der elektrischen Ladung eines Protons: +2/3 bei einem Up-Quark und −1/3 bei einem Down-Quark. Die Ladungen der drei Quarks eines Protons ergeben zusammen +1. Die Ladungen der drei Quarks eines Neutrons ergeben zusammen 0.

Quarks werden von Gluonen zusammengehalten, den Teilchen, die die starke Wechselwirkung übertragen. Noch nie hat jemand ein einzelnes Quark gefunden. Physiker haben in Meerwasser, Meteoriten, kosmischer Strahlung und Teilchenbeschleunigern nach einzelnen Quarks gesucht – ohne Erfolg.

Woher die Masse eines Protons stammt

Die Particle Data Group, die die Teilchenmessungen der Welt sammelt, gibt die Masse des Up-Quarks mit 2,16 MeV an. Teilchenphysiker geben Massen in Energieeinheiten an, und ein MeV entspricht einer Million Elektronenvolt. Das Up-Quark hat weniger als die Hälfte der Masse des Down-Quarks, die bei 4,70 MeV liegt.

Die Masse eines Protons beträgt etwa 938 MeV. Seine zwei Up-Quarks und ein Down-Quark ergeben zusammen nur etwa 9 MeV, also rund 1 % davon. Fast der gesamte Rest stammt aus den Wechselwirkungen zwischen den Quarks und den Gluonen, die sie zusammenhalten.