How big is 위 쿼크?

위 쿼크는 양성자와 중성자를 이루는 입자인 쿼크 여섯 종류 중 질량이 가장 작다. 위 쿼크의 크기를 측정한 실험은 없으므로, 표시된 값은 측정값이 아니다. 실험으로 알아낸 것은 쿼크에 크기가 있다 하더라도 양성자 지름의 약 2,000분의 1을 넘지 않는다는 사실뿐이다.

크기

크기 표시에는 10젭토미터로 나와 있다. 1젭토미터는 10⁻²¹미터로, 1미터의 10억분의 1의 10억분의 1의 1,000분의 1이다. 10⁻²¹이라는 표기는 1을, 1 뒤에 0이 21개 붙은 수로 나눈 값을 뜻한다. 이 사이트는 쿼크 종류마다 다른 값을 제시하지만, 어느 쿼크도 크기를 측정한 실험은 없다.

물리학자들은 입자에 다른 입자를 쏘아 흩어지는 모습을 관찰하는 방법으로 그 입자의 크기를 찾는다. HERA 가속기의 ZEUS 실험은 전자와 양성자의 충돌을 연구했다. 이 실험은 양성자 속 쿼크에 크기가 있다는 징후를 발견하지 못했다. 또 2016년에 쿼크에 반지름이 있다면 그것은 4.3 × 10⁻¹⁹미터보다 작아야 한다고 보고했다.

따라서 쿼크의 지름은 약 8.6 × 10⁻¹⁹미터보다 작다. 이 값은 크기가 아니라 상한이다. 이 상한은 이 사이트가 제시한 값의 약 86배이므로, 실험이 그 값을 배제하지는 못하지만 뒷받침하지도 않는다.

크기 비교

양성자는 지름이 약 1.7펨토미터(1.7 × 10⁻¹⁵미터)로, 실험이 쿼크에 허용하는 최대 크기의 약 2,000배이다.
그 최대 크기의 쿼크를 지름이 약 6.7센티미터인 테니스공 크기로 확대한다면, 양성자는 지름이 약 130미터일 것이다.
같은 비율로 하면 수소 원자는 지름이 약 8,200킬로미터로, 지구 지름의 약 3분의 2이다.
그 최대 크기의 쿼크 약 100조 개를 옆으로 나란히 늘어놓으면, 사람 머리카락의 굵기인 약 0.1밀리미터에 해당한다.

양성자와 중성자 속

일반 물질은 위 쿼크와 아래 쿼크, 두 종류의 쿼크로 이루어져 있다. 양성자는 위 쿼크 2개와 아래 쿼크 1개로 이루어져 있다. 중성자는 위 쿼크 1개와 아래 쿼크 2개로 이루어져 있다.

쿼크는 저마다 양성자 전하의 일부를 띤다. 위 쿼크는 +2/3, 아래 쿼크는 −1/3이다. 양성자를 이루는 쿼크 세 개의 전하를 더하면 +1이다. 중성자를 이루는 쿼크 세 개의 전하를 더하면 0이다.

쿼크는 강력을 전달하는 입자인 글루온에 의해 묶여 있다. 쿼크가 홀로 발견된 적은 한 번도 없다. 물리학자들은 바닷물, 운석, 우주선(宇宙線), 입자 가속기에서 단독 쿼크를 찾았지만 성공하지 못했다.

양성자의 질량이 나오는 곳

전 세계의 입자 측정값을 모으는 입자 데이터 그룹(Particle Data Group)은 위 쿼크의 질량을 2.16MeV로 제시한다. 입자물리학자들은 질량을 에너지 단위로 나타내며, 1MeV는 100만 전자볼트이다. 위 쿼크의 질량은 4.70MeV인 아래 쿼크의 절반이 안 된다.

양성자의 질량은 약 938MeV이다. 위 쿼크 2개와 아래 쿼크 1개의 질량을 합해도 약 9MeV에 불과하며, 이는 양성자 질량의 약 1%이다. 나머지 거의 전부는 쿼크와 이를 묶는 글루온 사이의 상호작용에서 나온다.