How big is 上夸克?

上夸克是六种夸克中最轻的一种，夸克是构成质子和中子的粒子。至今没有实验测出它的实际大小，因此图中给出的数值并不是测量结果。实验只表明，如果夸克确实有大小，也不会超过质子宽度的约两千分之一。

大小

该大小对应 10 仄米。1 仄米等于 10⁻²¹ 米，也就是一米的十亿分之一的十亿分之一，再取其千分之一。10⁻²¹ 这种写法表示 1 除以一个 1 后面跟着 21 个零的数。本站为每一种夸克都标注了不同的数值，但事实上没有任何实验测量过它们中任何一种的大小。

物理学家通常用其他粒子轰击目标粒子，再观察散射情况，以此寻找粒子的大小。ZEUS 实验在 HERA 加速器上研究了电子与质子的碰撞，结果没有发现质子内部的夸克具有任何大小的迹象。2016 年，该实验报告称，夸克的半径（如果存在的话）必须小于 4.3 × 10⁻¹⁹ 米。

由此可知，夸克的直径不到约 8.6 × 10⁻¹⁹ 米。这只是一个上限，并不是实际大小，大约是本站所给数值的 86 倍。因此，实验结果并不能排除本站给出的这个数值，但也没有任何证据支持它。

大小比较

• 一个质子直径约为 1.7 飞米（1.7 × 10⁻¹⁵ 米），宽度是实验所允许的夸克最大尺寸的约 2000 倍。
• 如果把处于这一极限尺寸的夸克放大到网球那么大，也就是直径约 6.7 厘米，质子的直径就会达到约 130 米。
• 按同样的比例，氢原子的直径将达到约 8200 千米，约为地球宽度的三分之二。
• 大约 100 万亿个处于这一极限尺寸的夸克并排，宽度就会达到一根头发丝那么宽，头发丝的直径约为 0.1 毫米。

质子和中子的内部结构

普通物质由两种夸克构成：上夸克和下夸克。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子则由一个上夸克和两个下夸克组成。

每种夸克都带有质子电荷的一部分：上夸克为 +2/3，下夸克为 −1/3。质子内三个夸克的电荷相加为 +1，中子内三个夸克的电荷相加则为 0。

夸克靠胶子——传递强力的粒子——结合在一起。至今从未有人发现过单独存在的夸克。物理学家曾在海水、陨石、宇宙射线和粒子加速器中寻找单个夸克，但都没有成功。

质子的质量从何而来

汇总全球粒子测量数据的粒子数据组（Particle Data Group）给出的上夸克质量为 2.16 MeV。粒子物理学家习惯用能量单位来表示质量，MeV 即百万电子伏特。上夸克的质量不到下夸克（4.70 MeV）的一半。

质子的质量约为 938 MeV。它所含的两个上夸克和一个下夸克加起来只有约 9 MeV，仅占质子质量的约 1%。其余几乎全部质量都来自夸克与将它们束缚在一起的胶子之间的相互作用。

参考资料

• 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.
• DOE Explains: Quarks and Gluons. U.S. Department of Energy, Office of Science.
• The Nobel Prize in Physics 1990: Press release. Royal Swedish Academy of Sciences, 1990.
• SI prefixes. International Bureau of Weights and Measures.
• Proton rms charge radius. NIST CODATA, 2022.
• Proton mass energy equivalent in MeV. NIST CODATA, 2022.
• Bohr radius. NIST CODATA, 2022.
• Rules of Tennis 2026. International Tennis Federation, 2026.
• Earth Fact Sheet. NASA, 2024.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.