How big is Uppkvark?

Uppkvarken är den lättaste av de sex sorterna av kvarkar, de partiklar som bygger upp protoner och neutroner. Inget experiment har mätt någon storlek för den, så den siffra som visas är ingen mätning. Experimenten har bara funnit att en kvark, om den över huvud taget har någon storlek, är högst ungefär en tvåtusendel av en protons bredd.

Storlek

Storleksraden anger 10 zeptometer. En zeptometer är 10⁻²¹ meter, en tusendel av en miljarddel av en miljarddel av en meter. Skrivsättet 10⁻²¹ betyder 1 delat med en etta följd av 21 nollor. Utforskaren anger olika siffror för olika sorters kvarkar, men inget experiment har mätt storleken hos någon av dem.

Fysiker söker efter en partikels storlek genom att skjuta andra partiklar mot den och se hur de sprids. Experimentet ZEUS undersökte kollisioner mellan elektroner och protoner vid acceleratorn HERA. Det fann inga tecken på att kvarkarna inuti protonerna hade någon storlek. År 2016 rapporterade experimentet att en kvarks radie, om kvarken har någon radie, måste vara mindre än 4,3 × 10⁻¹⁹ meter.

En kvark är därför mindre än ungefär 8,6 × 10⁻¹⁹ meter i diameter. Det är en övre gräns, inte en storlek. Gränsen är ungefär 86 gånger utforskarens siffra, så experimenten utesluter inte siffran, men de stöder den inte heller.

Storleksjämförelser

En proton, cirka 1,7 femtometer (1,7 × 10⁻¹⁵ meter) i diameter, är ungefär 2 000 gånger så bred som den största storlek som experimenten tillåter för en kvark.
Om en kvark vid den gränsen förstorades till storleken av en tennisboll, cirka 6,7 centimeter i diameter, skulle en proton vara cirka 130 meter i diameter.
I samma skala skulle en väteatom vara cirka 8 200 kilometer i diameter, ungefär två tredjedelar så bred som jorden.
Cirka 100 biljoner kvarkar vid den gränsen, uppradade sida vid sida, skulle spänna över ett människohår, som är cirka 0,1 millimeter brett.

Inuti protoner och neutroner

Vanlig materia byggs upp av två sorters kvarkar, uppkvark och nedkvark. En proton består av två uppkvarkar och en nedkvark. En neutron består av en uppkvark och två nedkvarkar.

Varje kvark har en bråkdel av en protons elektriska laddning: +2/3 för en uppkvark och −1/3 för en nedkvark. Laddningarna hos en protons tre kvarkar summerar till +1. Laddningarna hos en neutrons tre kvarkar summerar till 0.

Kvarkar hålls ihop av gluoner, de partiklar som förmedlar den starka kraften. Ingen har någonsin hittat en kvark ensam. Fysiker har letat efter enstaka kvarkar i havsvatten, meteoriter, kosmisk strålning och partikelacceleratorer, utan framgång.

Varifrån en protons massa kommer

Particle Data Group, som samlar världens mätningar av partiklar, anger uppkvarkens massa till 2,16 MeV. Partikelfysiker anger massor i energienheter, och en MeV är en miljon elektronvolt. Uppkvarken har mindre än hälften så stor massa som nedkvarken, vars massa är 4,70 MeV.

En protons massa är cirka 938 MeV. Protonens två uppkvarkar och en nedkvark summerar till bara cirka 9 MeV, eller cirka 1 % av massan. Nästan hela resten kommer från växelverkan mellan kvarkarna och de gluoner som binder samman kvarkarna.