How big is 顶夸克?

截至 2026 年，顶夸克是已知最重的基本粒子。就目前的实验而言，基本粒子并非由更小的东西构成。顶夸克没有测得的大小，因此上方给出的 1 幺米只是一个占位数值，而非实际测量结果，它代表的是一个远小于任何实验所能探测的尺度。

大小

1 幺米等于 10⁻²⁴ 米，即万亿分之一的万亿分之一米。目前没有任何实验测出顶夸克或其他任何一种夸克的大小。在迄今为止的所有检验中，夸克的表现都像一个点。

物理学家通过用其他粒子轰击目标粒子、观察它们如何反弹来探测粒子的大小。ZEUS 实验在 HERA 加速器上研究了电子与质子的碰撞，没有发现质子内部的夸克具有任何大小的迹象。2016 年，该实验报告了这些夸克的半径上限：若它们确实有半径，也必须小于 4.3 × 10⁻¹⁹ 米。这只是一个上限，并非实际大小，而且数据来自质子内部的夸克，并非顶夸克本身。

大小比较

• 质子内部夸克的直径上限约为 8.6 × 10⁻¹⁹ 米宽，约为本站给出数值的 86 万倍。
• 质子直径约 1.7 飞米（1.7 × 10⁻¹⁵ 米），其宽度约为该夸克直径上限的 2000 倍。
• 本站给出的 1 幺米约为普朗克长度（1.6 × 10⁻³⁵ 米，本站中下一个更小的条目）的 600 亿倍。
• 如果把 1 幺米放大到人类头发的宽度（约 0.1 毫米），质子就会变成约 170 千米宽，而这根头发本身则会变成约一光年宽。

已知最重的粒子

粒子数据组汇集了全球的粒子测量数据，给出的顶夸克质量为 172.56 ± 0.31 GeV。粒子物理学家用这种能量单位来衡量质量，1 GeV 等于十亿电子伏特。顶夸克的质量与一整个金原子的质量相当，约为底夸克——次重的夸克——质量的 40 倍。

质量大并不意味着顶夸克体积大。质量和大小是两种不同的属性，无论轻重，任何一种夸克都从未在实验中显示出可测量的大小。

转瞬即逝的粒子

CDF 和 DZero 实验的科学家于 1995 年 3 月 2 日宣布发现了顶夸克。他们是在费米实验室的万亿电子伏特加速器（Tevatron）上，通过质子与反质子的对撞发现它的。如今，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机主要通过胶子——把夸克束缚在一起的粒子——之间的碰撞，成对产生顶夸克。

顶夸克会在不到 10⁻²⁴ 秒内衰变为一个 W 玻色子和一个底夸克。其他夸克会结合成更大的粒子，称为强子，例如质子，但这一过程需要 10⁻²⁴ 秒的数倍时间。顶夸克在能够结合成强子之前就已经衰变了。它的寿命太短，无法直接观测，因此科学家只能通过它衰变后产生的粒子来辨认它。

参考资料

• 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.
• The Last Quark. ATLAS Experiment, CERN, 2021.
• Twenty-fifth anniversary of the discovery of the top quark at Fermilab. Fermilab, 2020.
• Scientists recall the discovery of the top quark 30 years ago at Fermilab. Fermilab, 2025.
• SI prefixes. International Bureau of Weights and Measures.
• Proton rms charge radius. NIST CODATA, 2022.
• Planck length. NIST CODATA, 2022.
• Atomic mass constant energy equivalent in MeV. NIST CODATA, 2022.
• Gold. Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights, 2017.
• Measuring the Universe. International Astronomical Union.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.