How big is u-кварк?

u-кварк — найлегший із шести видів кварків, частинок, з яких складаються протони й нейтрони. Жоден експеримент не виміряв його розміру, тому показане значення не є результатом вимірювання. Експерименти показали лише, що кварк, якщо він узагалі має розмір, не перевищує приблизно двотисячної частки ширини протона.

Розмір

У рядку розміру вказано 10 зептометрів. Зептометр — це 10⁻²¹ метра, тисячна частка мільярдної частки мільярдної частки метра. Запис 10⁻²¹ означає 1, поділену на одиницю, після якої стоїть 21 нуль. Цей сайт наводить для кожного виду кварків інше значення, але жоден експеримент не виміряв розміру жодного з них.

Щоб знайти розмір частинки, фізики спрямовують на неї інші частинки й спостерігають, як вони розсіюються. В експерименті ZEUS на прискорювачі HERA вивчали зіткнення електронів із протонами. Він не знайшов жодних ознак того, що кварки всередині протонів мають розмір. У 2016 році експеримент повідомив про те, що радіус кварка, якщо він є, має бути меншим за 4,3 × 10⁻¹⁹ метра.

Отже, кварк має менше ніж приблизно 8,6 × 10⁻¹⁹ метра в поперечнику. Це верхня межа, а не розмір. Вона приблизно у 86 разів більша за значення цього сайту, тож експерименти це значення не виключають, але й не підтверджують.

Порівняння розмірів

Протон, що має в поперечнику приблизно 1,7 фемтометра (1,7 × 10⁻¹⁵ метра), приблизно у 2 000 разів ширший за найбільший розмір, який експерименти допускають для кварка.
Якби кварк граничного розміру збільшили до розміру тенісного м’яча, тобто діаметром приблизно 6,7 сантиметра, протон мав би в поперечнику приблизно 130 метрів.
У тому самому масштабі атом водню мав би в поперечнику приблизно 8 200 кілометрів, а це приблизно дві третини ширини Землі.
Приблизно 100 трильйонів кварків граничного розміру, розташованих бік о бік, дорівнювали б за шириною людській волосині завширшки приблизно 0,1 міліметра.

Усередині протонів і нейтронів

Звичайна речовина складається з двох видів кварків — u-кварка й d-кварка. Протон складається з двох u-кварків і одного d-кварка. Нейтрон складається з одного u-кварка й двох d-кварків.

Кожен кварк несе частку електричного заряду протона: +2/3 для u-кварка і −1/3 для d-кварка. Заряди трьох кварків протона в сумі дають +1. Заряди трьох кварків нейтрона в сумі дають 0.

Кварки утримуються разом глюонами — частинками, що переносять сильну взаємодію. Окремого кварка ніхто ніколи не знаходив. Фізики шукали поодинокі кварки в морській воді, метеоритах, космічних променях і прискорювачах частинок, але безуспішно.

Звідки береться маса протона

Particle Data Group, яка збирає результати вимірювань частинок з усього світу, подає масу u-кварка як 2,16 МеВ. Фізики частинок указують маси в одиницях енергії, а один МеВ — це мільйон електронвольтів. u-кварк має менш ніж половину маси d-кварка; маса d-кварка становить 4,70 МеВ.

Маса протона становить приблизно 938 МеВ. Два його u-кварки й один d-кварк у сумі дають лише близько 9 МеВ, а це близько 1 відсотка від неї. Майже вся решта походить від взаємодій між кварками та глюонами, які їх зв’язують.