How big is Yukarı Kuark?

Yukarı kuark, proton ve nötronları oluşturan parçacıklar olan altı kuark türünün en hafifidir. Hiçbir deney bu kuark için bir büyüklük ölçmediğinden, gösterilen değer bir ölçüm değildir. Deneylerin saptadığı tek şey, bir kuarkın büyüklüğü varsa bile bir protonun genişliğinin yaklaşık iki binde birini aşmadığıdır.

Boyut

Boyut satırında 10 zeptometre yazıyor. Bir zeptometre 10⁻²¹ metredir; yani bir metrenin milyarda birinin milyarda birinin binde biri. 10⁻²¹ gösterimi, 1’in 1 ve ardından 21 sıfır gelen sayıya bölünmesi anlamına gelir. Bu site her kuark türüne farklı bir değer veriyor, ama hiçbir deney bunların hiçbiri için bir büyüklük ölçmedi.

Fizikçiler bir parçacığın büyüklüğünü, ona başka parçacıklar gönderip nasıl saçıldıklarını izleyerek arar. ZEUS deneyi, HERA hızlandırıcısında elektronlarla protonların çarpışmalarını inceledi. Protonların içindeki kuarkların herhangi bir büyüklüğü olduğuna dair hiçbir işaret bulamadı. ZEUS deneyi 2016’da bir kuarkın yarıçapının, varsa, 4,3 × 10⁻¹⁹ metreden küçük olması gerektiğini bildirdi.

Dolayısıyla bir kuarkın çapı yaklaşık 8,6 × 10⁻¹⁹ metreden küçüktür. Bu bir üst sınırdır, bir büyüklük değil. Bu üst sınır, bu sitedeki değerin yaklaşık 86 katıdır; bu yüzden deneyler bu değeri dışlamıyor, ama onu desteklemiyor da.

Boyut karşılaştırmaları

Bir proton yaklaşık 1,7 femtometre (1,7 × 10⁻¹⁵ metre) çapındadır; bu, deneylerin bir kuark için izin verdiği en büyük büyüklüğün yaklaşık 2.000 katıdır.
Bu sınırdaki bir kuark, çapı yaklaşık 6,7 santimetre olan bir tenis topu büyüklüğüne büyütülse, bir proton yaklaşık 130 metre çapında olurdu.
Aynı ölçekte bir hidrojen atomu yaklaşık 8.200 kilometre çapında olurdu; bu, Dünya’nın genişliğinin yaklaşık üçte ikisi kadardır.
Yan yana dizilen, bu sınırdaki yaklaşık 100 trilyon kuark, bir insan saçının kalınlığını baştan başa kaplardı; bu kalınlık yaklaşık 0,1 milimetredir.

Protonların ve nötronların içinde

Sıradan madde iki tür kuarktan, yukarı kuarktan ve aşağı kuarktan oluşur. Bir proton iki yukarı ve bir aşağı kuarktan oluşur. Bir nötron ise bir yukarı ve iki aşağı kuarktan oluşur.

Her kuark, bir protonun elektrik yükünün bir kesrini taşır: yukarı kuark +2/3’ünü, aşağı kuark −1/3’ünü. Bir protonun üç kuarkının yükleri toplamda +1 eder. Bir nötronun üç kuarkının yükleri toplamda 0 eder.

Kuarkları gluonlar bir arada tutar; gluonlar güçlü kuvveti taşıyan parçacıklardır. Bugüne kadar kimse tek başına bir kuark bulmadı. Fizikçiler tek kuarkları deniz suyunda, göktaşlarında, kozmik ışınlarda ve parçacık hızlandırıcılarında aradı, ama başarılı olamadı.

Bir protonun kütlesi nereden geliyor

Dünya genelindeki parçacık ölçümlerini toplayan Parçacık Veri Grubu, yukarı kuarkın kütlesini 2,16 MeV olarak veriyor. Parçacık fizikçileri kütleyi enerji birimleriyle verir; bir MeV, bir milyon elektronvolttur. Yukarı kuarkın kütlesi, 4,70 MeV olan aşağı kuarkın kütlesinin yarısından azdır.

Bir protonun kütlesi yaklaşık 938 MeV’dir. İçindeki iki yukarı kuarkla bir aşağı kuarkın kütleleri toplamı yalnızca yaklaşık 9 MeV eder; bu, protonun kütlesinin yaklaşık yüzde 1’idir. Geri kalanın neredeyse tamamı, kuarklarla onları bir arada tutan gluonlar arasındaki etkileşimlerden gelir.