מה הגודל של קווארק למעלה?
10 זפטומטרים!
קווארק למעלה הוא הקל ביותר מבין ששת סוגי הקווארקים, החלקיקים המרכיבים פרוטונים ונייטרונים. אף ניסוי לא מדד לו גודל, ולכן הנתון המוצג אינו תוצאה של מדידה. הניסויים מצאו רק שקווארק, אם יש לו גודל כלשהו, אינו גדול מכחצי אלפית מרוחבו של פרוטון.
גודל
שורת הגודל מציגה 10 זפטומטרים. זפטומטר הוא 10−21 מטרים, אלפית ממיליארדית ממיליארדית המטר. הסימון 10−21 פירושו 1 חלקי 1 ואחריו 21 אפסים. האתר נותן לכל סוג של קווארק נתון שונה, אך אף ניסוי לא מדד גודל לאף אחד מהם.
פיזיקאים מחפשים את גודלו של חלקיק בכך שהם יורים בו חלקיקים אחרים ומתבוננים כיצד הם מתפזרים. ניסוי ZEUS חקר התנגשויות בין אלקטרונים לפרוטונים במאיץ HERA. הוא לא מצא סימן לכך שלקווארקים שבתוך הפרוטונים יש גודל כלשהו. ב-2016 דיווחו חוקרי הניסוי שרדיוס של קווארק, אם יש לו כזה, חייב להיות קטן מ-4.3 × 10−19 מטרים.
לכן רוחבו של קווארק קטן מכ-8.6 × 10−19 מטרים. זהו חסם עליון, לא גודל. הוא גדול בערך פי 86 מהנתון של האתר, ולכן הניסויים אינם שוללים את הנתון הזה, אך גם אינם תומכים בו.
השוואות גודל
- פרוטון, שרוחבו כ-1.7 פמטומטרים (1.7 × 10−15 מטרים), רחב בערך פי 2,000 מהגודל הגדול ביותר שהניסויים מאפשרים לקווארק.
- אילו קווארק בגבול הזה הוגדל לגודל של כדור טניס, שרוחבו כ-6.7 סנטימטרים, פרוטון היה ברוחב של כ-130 מטרים.
- באותו קנה מידה, אטום מימן היה ברוחב של כ-8,200 קילומטרים, כשני שלישים מרוחבו של כדור הארץ.
- כ-100 טריליון קווארקים בגבול הזה, זה לצד זה, היו משתרעים על פני שערת אדם שרוחבה כ-0.1 מילימטרים.
בתוך פרוטונים ונייטרונים
החומר הרגיל בנוי משני סוגי קווארקים: קווארק למעלה וקווארק למטה. פרוטון מורכב משני קווארקים מסוג מעלה ומקווארק למטה אחד. נייטרון מורכב מקווארק למעלה אחד ומשני קווארקים מסוג מטה.
כל קווארק נושא חלק מהמטען החשמלי של פרוטון: מטענו של קווארק למעלה הוא +2/3 ממטען הפרוטון, ומטענו של קווארק למטה הוא −1/3 ממנו. סכום המטענים של שלושת הקווארקים בפרוטון הוא +1. סכום המטענים של שלושת הקווארקים בנייטרון הוא 0.
גלואונים, החלקיקים הנושאים את הכוח החזק, קושרים את הקווארקים זה לזה. איש לא מצא מעולם קווארק בודד. פיזיקאים חיפשו קווארקים בודדים במי ים, במטאוריטים, בקרניים קוסמיות ובמאיצי חלקיקים, ללא הצלחה.
מהיכן מגיעה מסת הפרוטון
קבוצת נתוני החלקיקים (Particle Data Group), האוספת את מדידות החלקיקים בעולם, נותנת למסת קווארק למעלה ערך של 2.16 MeV. פיזיקאים העוסקים בחלקיקים מבטאים מסות ביחידות של אנרגיה, ו-MeV הוא מיליון אלקטרון-וולט. מסתו של קווארק למעלה קטנה ממחצית מסתו של קווארק למטה, שהיא 4.70 MeV.
מסת הפרוטון היא כ-938 MeV. שני הקווארקים מסוג מעלה והקווארק מסוג מטה שבו מסתכמים רק בכ-9 MeV, כלומר בכ-1% מהמסה. כמעט כל היתר נובע מהאינטראקציות בין הקווארקים לבין הגלואונים הקושרים אותם.
מקורות
- Summary Tables: Quarks. Particle Data Group, 2025.
- Limits on the effective quark radius from inclusive ep scattering at HERA. H. Abramowicz et al. (ZEUS Collaboration), Physics Letters B, 2016.
- Introduction to Particle Physics. In University Physics Volume 3. OpenStax, 2016.
- Quarks. In University Physics Volume 3. OpenStax, 2016.
- DOE Explains: Quarks and Gluons. U.S. Department of Energy, Office of Science.
- The Nobel Prize in Physics 1990: Press release. Royal Swedish Academy of Sciences, 1990.
- SI prefixes. International Bureau of Weights and Measures.
- Proton rms charge radius. NIST CODATA, 2022.
- Proton mass energy equivalent in MeV. NIST CODATA, 2022.
- Bohr radius. NIST CODATA, 2022.
- Rules of Tennis 2026. International Tennis Federation, 2026.
- Earth Fact Sheet. NASA, 2024.
- Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.