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How big is 底夸克?

300 攸米!

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底夸克

底夸克又稱美夸克,是六種夸克中第二重的一種。夸克是基本粒子,就目前的實驗所能判斷,並非由更小的東西組成,是質子、中子及許多其他粒子的組成成分。沒有任何實驗測得底夸克的大小,因此上方顯示的300攸米並非實際測量值。一攸米是10−24公尺,也就是一兆分之一的兆分之一公尺。

大小

到目前為止的每一次實驗中,夸克的行為都像是一個點。物理學家藉由發射其他粒子撞擊目標粒子,並觀察其彈開的方式,來尋找粒子的大小。ZEUS實驗便是在HERA加速器上,以電子撞擊質子進行這類實驗,結果沒有發現質子內部的夸克具有任何大小的跡象。

2016年,ZEUS報告指出,這些夸克若有半徑,其半徑必定小於4.3×10−19公尺,也就是說它們的直徑不到8.6×10−19公尺。這只是一個上限,並非實際大小,而且是根據質子內部的夸克得出,並非單獨來自底夸克。本站所列的300攸米遠低於這個上限,因此沒有任何實驗能夠證實或推翻這個數值。

大小比較

  • 質子的直徑約為1.7飛米(1.7×10−15公尺),寬度約為夸克上限的2000倍。
  • 如果把質子放大到籃球的大小,也就是直徑約24公分,夸克的直徑最大也不會超過大約0.12公釐,比一根人類頭髮稍微寬一點。
  • 夸克大小的上限大約是5萬兆(5×1016)個普朗克長度,普朗克長度是本站中最接近底夸克的物體之一。

發現

1977年6月30日,費米實驗室(Fermilab)的科學家宣布發現一種新粒子,稱為Upsilon粒子。這項名為E288的實驗由萊昂·萊德曼(Leon Lederman)主持。Upsilon粒子是由一個底夸克與其反物質夥伴「反底夸克」結合而成,質量大約是先前發現過的任何粒子的三倍。

底夸克是第三代粒子中最先發現的夸克。同屬這一代的夥伴頂夸克,直到1995年才被發現。

沉重卻從不單獨存在

粒子數據組彙整全球的粒子測量結果,其資料顯示底夸克的質量為4.183 GeV。粒子物理學家以能量單位來表示質量,一GeV等於十億電子伏特。這使得底夸克的質量大約是一整顆質子的4.5倍,其電荷則是質子電荷的負三分之一。

夸克從未被單獨發現過:所有尋找自由夸克的嘗試都沒有成功。底夸克總是被束縛在較大的粒子內部。在CERN,LHCb實驗便是透過研究底夸克,探討為何宇宙似乎幾乎完全由物質構成,幾乎沒有反物質存在。

參考資料

  • Summary Tables: Quarks. Particle Data Group, 2025.
  • Limits on the effective quark radius from inclusive ep scattering at HERA. ZEUS Collaboration, Physics Letters B, 2016.
  • Revisiting the b revolution. CERN Courier, 2017.
  • January 1976: From the "Oops-Leon" to the Upsilon Particle. Dan Garisto, APS News, American Physical Society, 2022.
  • The Nobel Prize in Physics 1995: Press release. Royal Swedish Academy of Sciences, 1995.
  • LHCb. CERN.
  • SI prefixes. International Bureau of Weights and Measures.
  • Proton rms charge radius. NIST CODATA, 2022.
  • Proton mass energy equivalent in MeV. NIST CODATA, 2022.
  • Planck length. NIST CODATA, 2022.
  • Official Basketball Rules 2026: Basketball Equipment. FIBA, 2026.
  • Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.

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宇宙的刻度 > 底夸克
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