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How big is 奇夸克?

4 介米!

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奇夸克

奇夸克是六種夸克中第三輕的一種,存在於K介子等壽命短暫的粒子中;而一般物質則是由較輕的上夸克與下夸克構成。沒有任何實驗測得奇夸克的大小,因此上方顯示的數值並非實際測量值。實驗只發現,如果夸克真的有大小,也不會超過質子寬度的兩千分之一左右。

大小

上方顯示的大小是4介米。一介米是10−21公尺,也就是千分之一的十億分之一的十億分之一公尺。10−21這個記法代表1除以一個1後面接著21個零的數字。至今沒有任何實驗測得任何一種夸克的大小。

實驗只能訂出一個上限。在HERA加速器上,ZEUS實驗以電子撞擊質子,沒有發現質子內部的夸克具有任何大小的跡象。2016年,該實驗報告指出,夸克的半徑必定小於4.3×10−19公尺,因此夸克的直徑不到大約8.6×10−19公尺。

這個上限是根據質子內部的夸克得出,並非專門針對奇夸克。它大約是本站數值的200倍,因此沒有任何實驗與這個數值相牴觸,但也沒有任何實驗能夠支持它。

大小比較

  • 質子的直徑約為1.7飛米(1.7×10−15公尺),寬度約為實驗所允許夸克最大尺寸的2000倍。
  • 如果把質子放大到籃球的大小,也就是直徑約24公分,處於這個上限的夸克直徑會變成大約0.12公釐,比一般人類頭髮稍微寬一點。
  • 以同樣的比例放大,氫原子的直徑會變成大約15公里。

最早的奇異粒子

1947年,曼徹斯特大學的克利福德·巴特勒(Clifford Butler)與喬治·羅切斯特(George Rochester)報告了一種前所未見的粒子徑跡。他們是利用雲霧室拍攝到這些徑跡的,雲霧室是一種讓帶電粒子留下細小雲霧痕跡的裝置。這些粒子後來被稱為K介子。

K介子不符合當時物理學家所認識的任何理論圖像。它們很重,質量大約是質子的一半,卻要經過相對較長的時間才會衰變。1950年代,默里·蓋爾曼(Murray Gell-Mann)、西島和彥(Kazuo Nishijima)、亞伯拉罕·佩斯(Abraham Pais)等人以一種稱為「奇異性」的新性質來解釋這個現象。這個名稱反映了這些粒子一直以來給人的古怪印象。

如今,奇異性的來源已經歸因於奇夸克。舉例來說,帶正電的K介子就是由一個上夸克,與奇夸克的反物質夥伴「反奇夸克」配對而成。

較重的夸克

粒子數據組彙整全世界的粒子測量結果,其資料顯示奇夸克的質量為93.5 MeV。粒子物理學家以能量單位來表示質量,一MeV等於一百萬電子伏特。奇夸克的質量大約是下夸克的20倍,是上夸克的43倍。

較重的夸克並不穩定,弱力會把它們轉變成較輕的夸克。這就是為什麼含有奇夸克的粒子最終都會衰變。帶正電的K介子平均大約可存在十億分之12秒。由一個上夸克、一個下夸克和一個奇夸克組成的Λ粒子,壽命則大約是四十億分之一秒。

參考資料

  • Summary Tables: Quarks. Particle Data Group, 2025.
  • Limits on the effective quark radius from inclusive ep scattering at HERA. H. Abramowicz et al. (ZEUS Collaboration), Physics Letters B, 2016.
  • Introduction to Particle Physics. In University Physics Volume 3. OpenStax, 2016.
  • Quarks. In University Physics Volume 3. OpenStax, 2016.
  • Meet the kaon. Nathan Collins, Symmetry, 2020.
  • SI prefixes. International Bureau of Weights and Measures.
  • Proton rms charge radius. NIST CODATA, 2022.
  • Bohr radius. NIST CODATA, 2022.
  • Official Basketball Rules 2026: Basketball Equipment. FIBA, 2026.
  • Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.

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底夸克又稱作美夸克, 因為它無暇地美. 它是第三代夸克, 會很快衰變為第一代夸克, 例如 上與下夸克.
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夸克有六種"味". 分別是上、下、奇、魅、頂、底. 夸克越小, 質量越大. 因此, 上下夸克 是夸克裡最輕的. 下夸克帶的電荷是 -1/3.
上夸克
夸克有六種"味". 分別是上、下、奇、魅、頂、底. 夸克越小, 質量越大. 因此, 上下夸克 是夸克裡最輕的. 上夸克帶的電荷是 +2/3.
高能微中子
高能微中子會比較大。跟平均尺寸的微中子比較,整整大了 15000 倍喔!

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