How big is U-kvark?

Ülemine kvark on kergeim kuuest kvargiliigist, osakestest, millest koosnevad prootonid ja neutronid. Ükski katse pole selle suurust mõõtnud, seega pole näidatud arv mõõtetulemus. Katsetega on leitud vaid, et kvargi suurus – kui sellel üldse mingi suurus on – ei ületa umbes ühte kahetuhandikku prootoni laiusest.

Suurus

Saidil on suuruseks antud 10 zeptomeetrit. Zeptomeeter on 10⁻²¹ meetrit ehk meetri miljardiku miljardiku tuhandik. Märge 10⁻²¹ tähendab 1 jagatud arvuga, mis koosneb ühest ja sellele järgnevast 21 nullist. See sait annab igale kvargiliigile erineva arvu, kuid ükski katse pole ühegi nende suurust mõõtnud.

Füüsikud otsivad osakese suurust, lastes sellele teisi osakesi ja jälgides, kuidas need hajuvad. Katses ZEUS uuriti HERA kiirendis elektronide ja prootonite kokkupõrkeid. Prootonite sees olevatel kvarkidel ei leitud mingit märki suurusest. 2016. aastal teatati, et kvargi raadius, kui sellel üldse raadius on, peab olema väiksem kui 4,3 × 10⁻¹⁹ meetrit.

Seega on kvargi läbimõõt väiksem kui umbes 8,6 × 10⁻¹⁹ meetrit. See on ülempiir, mitte suurus. See piir on umbes 86 korda suurem kui saidil toodud arv, mistõttu katsed seda arvu ei välista, kuid ei toeta ka.

Suuruste võrdlused

Prooton, mille läbimõõt on umbes 1,7 femtomeetrit (1,7 × 10⁻¹⁵ meetrit), on umbes 2 000 korda laiem kui suurim suurus, mille katsed kvargile lubavad.
Kui sellel piiril olev kvark oleks suurendatud tennisepalli suuruseks, mille läbimõõt on umbes 6,7 sentimeetrit, oleks prooton umbes 130 meetrit lai.
Samas mõõtkavas oleks vesinikuaatom umbes 8 200 kilomeetrit lai, umbes kaks kolmandikku Maa laiusest.
Umbes 100 triljonit sellel piiril olevat kvarki, kõrvuti asetatud, ulatuksid inimese juuksekarva laiuseni (umbes 0,1 millimeetrit).

Prootonite ja neutronite sees

Tavaline aine koosneb kahest kvargiliigist: ülemisest kvargist ja alumisest kvargist. Prooton koosneb kahest ülemisest ja ühest alumisest kvargist. Neutron koosneb ühest ülemisest ja kahest alumisest kvargist.

Iga kvargi elektrilaeng on osa prootoni elektrilaengust: ülemisel kvargil +2/3 ja alumisel kvargil −1/3. Prootoni kolme kvargi laengud annavad kokku +1. Neutroni kolme kvargi laengud annavad kokku 0.

Kvarke hoiavad koos gluuonid, tugevat vastastikmõju vahendavad osakesed. Üksikut kvarki pole keegi kunagi leidnud. Füüsikud on üksikuid kvarke otsinud merevees, meteoriitides, kosmilistes kiirtes ja osakestekiirendites, kuid tulemusteta.

Kust prootoni mass pärineb

Particle Data Group, mis koondab maailma osakestemõõtmisi, annab ülemise kvargi massiks 2,16 MeV. Osakestefüüsikud väljendavad masse energiaühikutes ja MeV on miljon elektronvolti. Alumise kvargi mass on 4,70 MeV ja ülemise kvargi mass on sellest alla poole.

Prootoni mass on umbes 938 MeV. Selle kahe ülemise ja ühe alumise kvargi mass annab kokku vaid umbes 9 MeV ehk umbes 1% sellest. Peaaegu kogu ülejäänu pärineb kvarkide ja neid siduvate gluuonide vastastikmõjudest.