How big is Upquark?

De upquark is de lichtste van de zes soorten quark, de deeltjes waaruit protonen en neutronen bestaan. Geen enkel experiment heeft er een grootte voor gemeten, dus de getoonde waarde is geen meting. Experimenten hebben alleen vastgesteld dat een quark, als hij al een grootte heeft, hooguit ongeveer een tweeduizendste van de breedte van een proton is.

Grootte

In de grootteregel staat 10 zeptometer. Een zeptometer is 10⁻²¹ meter, een duizendste van een miljardste van een miljardste van een meter. De notatie 10⁻²¹ betekent 1 gedeeld door een 1 gevolgd door 21 nullen. De verkenner geeft elke soort quark een andere waarde, maar geen enkel experiment heeft voor een ervan een grootte gemeten.

Natuurkundigen zoeken de grootte van een deeltje door er andere deeltjes op te schieten en te kijken hoe die verstrooid raken. Het ZEUS-experiment onderzocht botsingen tussen elektronen en protonen bij de HERA-versneller. Het vond geen teken dat de quarks in de protonen een grootte hadden. In 2016 meldde het dat de straal van een quark, als die er is, kleiner moet zijn dan 4,3 × 10⁻¹⁹ meter.

Een quark is dus minder dan ongeveer 8,6 × 10⁻¹⁹ meter breed. Dat is een bovengrens, geen grootte. Die grens is ongeveer 86 keer zo groot als de waarde van de verkenner. Experimenten sluiten die waarde daarom niet uit, maar ondersteunen haar ook niet.

Groottevergelijkingen

Een proton, ongeveer 1,7 femtometer (1,7 × 10⁻¹⁵ meter) breed, is ongeveer 2.000 keer zo breed als de maximale grootte die experimenten voor een quark toelaten.
Als een quark met de maximaal toegelaten grootte werd vergroot tot de grootte van een tennisbal, ongeveer 6,7 centimeter breed, zou een proton ongeveer 130 meter breed zijn.
Op dezelfde schaal zou een waterstofatoom ongeveer 8.200 kilometer breed zijn, ongeveer twee derde van de breedte van de Aarde.
Ongeveer 100 biljoen quarks met die maximale grootte, naast elkaar, zouden de breedte van een mensenhaar beslaan, dat ongeveer 0,1 millimeter breed is.

In protonen en neutronen

Gewone materie is opgebouwd uit twee soorten quark, de upquark en de downquark. Een proton bestaat uit twee upquarks en één downquark. Een neutron bestaat uit één upquark en twee downquarks.

Elke quark draagt een fractie van de elektrische lading van een proton: +2/3 voor een upquark en −1/3 voor een downquark. De ladingen van de drie quarks van een proton tellen op tot +1. De ladingen van de drie quarks van een neutron tellen op tot 0.

Quarks worden bijeengehouden door gluonen, de deeltjes die de sterke kracht overbrengen. Niemand heeft ooit een quark op zichzelf gevonden. Natuurkundigen hebben zonder succes gezocht naar losse quarks in zeewater, meteorieten, kosmische straling en deeltjesversnellers.

Waar de massa van een proton vandaan komt

De Particle Data Group, die deeltjesmetingen uit de hele wereld verzamelt, geeft de massa van de upquark op als 2,16 MeV. Deeltjesfysici geven massa's op in eenheden van energie, en een MeV is een miljoen elektronvolt. De massa van de downquark is 4,70 MeV. De upquark heeft minder dan de helft daarvan.

Een proton heeft een massa van ongeveer 938 MeV. De twee upquarks en de ene downquark erin tellen samen op tot slechts ongeveer 9 MeV, ongeveer 1 procent daarvan. Bijna de hele rest komt voort uit de wisselwerking tussen de quarks en de gluonen die ze bijeenhouden.