強い相互作用
原子核物理学および素粒子物理学において、強い相互作用（強い力、あるいは強い核力とも呼ばれる）は、4つの基本的な相互作用の一つです。この相互作用は、クォークを陽子、中性子、その他のハドロン粒子に閉じ込めるだけでなく、中性子と陽子を結合させて原子核を形成するため、核力と呼ばれます。
陽子または中性子の質量の大部分は強い相互作用エネルギーによるもので、個々のクォークは陽子の質量の約1%しか占めていません。10 −15 m（1フェムトメートル、核子の半径よりわずかに大きい）の範囲では、強い力は電磁力の約100倍、弱い相互作用の10 6倍、重力の10 38倍の強さになります。[ 1 ]
原子核の文脈では、この力は陽子と中性子を結合させて原子核を形成し、核力（または残留強い力）と呼ばれます。[ 2 ]このスケールでは、この力は質量が大きく寿命の短い中間子によって媒介されるため、残留強い相互作用は、ハドロン内でクォークを結合するように作用する場合とはまったく異なる、核子間の距離に依存した挙動を示します。核融合と核分裂に関しても、核力の結合エネルギーに違いがあります。核融合は、太陽やその他の恒星におけるエネルギー生産の大部分を占めています。核分裂は、弱い相互作用によって媒介されることが多いものの、放射性元素や同位体の崩壊を可能にします。人工的に、核力に関連するエネルギーは、原子力と核兵器、つまりウランまたはプルトニウムベースの核分裂兵器と水素爆弾のような核融合兵器の両方で部分的に放出されます。[ 3 ] [ 4 ]
歴史
1971年以前、物理学者たちは原子核がどのように結合しているのか確信が持てませんでした。原子核は陽子と中性子で構成され、陽子は正の電荷を持ち、中性子は電気的に中性であることは知られていました。電磁気学の確立された原理に基づくと、正電荷は互いに反発し合い、正電荷を帯びた陽子は原子核を分裂させると予想されました。しかし、これは実際に観測されることはありませんでした。この現象を説明するには、物理学における新たな発見が必要でした。
陽子同士の電磁気的反発にもかかわらず原子核が結合している理由を説明するために、より強い引力が仮定されました。この仮説上の力は「強い力」と呼ばれ、原子核を構成する 陽子と中性子に作用する基本的な力であると考えられていました。
1964年、マレー・ゲルマンとジョージ・ツヴァイクはそれぞれ、陽子と中性子を含む重粒子と中間子が素粒子で構成されていると提唱した。ツヴァイクは素粒子を「エース」と呼び、ゲルマンはそれを「クォーク」と呼んだ。この理論はクォーク模型と呼ばれるようになった。[ 5 ]核子間の強い引力は、クォークを陽子と中性子に結び付けるより基本的な力の副作用であった。量子色力学の理論では、クォークは色荷と呼ばれるものを帯びていると説明されているが、これは目に見える色とは関係がない。[ 6 ]異なる色荷を持つクォークは強い相互作用の結果として互いに引き合い、これを媒介する粒子はグルーオンと呼ばれた。
強い相互作用の挙動
強い相互作用は 2 つの範囲で観測可能であり、それぞれ異なる力の媒体によって媒介されます。約 0.8 fm (核子の半径とほぼ同じ) 未満のスケールでは、この力はグルーオンによって運ばれ、クォークをまとめて陽子、中性子、その他のハドロンを形成します。約 3 fm までのより大きなスケールでは、この力は中間子によって運ばれ、核子 (陽子と中性子) をまとめて原子核を形成します。[ 2 ]前者の文脈では、この力はカラー力と呼ばれることが多く、非常に強いため、ハドロンが高エネルギー粒子に衝突すると、その構成要素 (クォークとグルーオン) が自由に移動する粒子として放出されるのではなく、質量の大きい粒子のジェットが生成されます。強い力のこの特性は、カラー閉じ込めと呼ばれます。
| 交流 | 範囲 | 開催 | キャリア | 結果 |
|---|---|---|---|---|
| 強い | <0.8 fm | クォーク | グルーオン | ハドロン |
| 残留強 | 1～3 fm | ハドロン | 中間子 | 核 |
ハドロン内部
「強い」という言葉が使われているのは、強い相互作用が4つの基本的な力の中で最も「強い」力だからです。10 −15 mの距離では、その強さは電磁力の約100倍、 弱い力の約10 6倍、重力 の約10 38倍になります。
強い力は、素粒子物理学の標準模型の一部である量子色力学（QCD）によって記述されます。数学的には、QCDはSU(3)と呼ばれる局所（ゲージ）対称性群に基づく非可換ゲージ理論です。
強い相互作用の力を運ぶ粒子は、質量のないゲージボソンであるグルーオンです。グルーオンは、カラー電荷と呼ばれる種類の電荷を介してクォークや他のグルーオンと相互作用すると考えられています。カラー電荷は電磁電荷に類似していますが、1つではなく3つのタイプ（±赤、±緑、±青）があり、異なる動作規則をもたらします。これらの規則は、クォーク-グルーオン相互作用の理論である量子色力学（QCD）によって説明されます。中性である電磁気学の光子とは異なり、グルーオンはカラー電荷を運びます。クォークとグルーオンは、消えないカラー電荷を運ぶ唯一の基本粒子であるため、互いにのみ強い相互作用に参加します。強い力は、グルーオンと他のクォークおよびグルーオン粒子との相互作用の表現です。
QCDにおけるすべてのクォークとグルーオンは、強い力を介して相互作用します。相互作用の強さは、強結合定数によってパラメータ化されます。この強さは、群論的性質である粒子のゲージカラー電荷によって変化します。
強い力はクォーク間に作用します。他のすべての力（電磁力、弱い力、重力力）とは異なり、強い力はクォーク対間の距離が増しても強度が減少することはありません。限界距離（ハドロン程度の大きさ）に達すると、その強度は約10 000 Nの力に対して、クォーク間の距離がどれだけ離れていても、クォーク対に加わるエネルギーは10 000 N である。[ 7 ] : 164 クォーク間の距離が離れるにつれて、対に加えられるエネルギーは、元の2つのクォークの間に新しい一致するクォーク対を作り出す。したがって、クォークを分離することは不可能である。その説明は、10,000 Nは、非常に短い距離に粒子と反粒子の対を生成するのに十分なエネルギーです。2つのクォークを引き離すことによって系に加えられるエネルギーは、元のクォークと対を形成する新しいクォークの対を生成します。QCDでは、この現象は色閉じ込めと呼ばれ、その結果、個々の自由クォークではなく、ハドロンのみが観測されます。自由クォークを探索したすべての実験が失敗していることは、この現象の証拠と考えられています。
高エネルギー衝突に関与する素粒子であるクォークとグルーオンは直接観測できません。この相互作用によって、新たに生成されたハドロンのジェットが生成され、観測可能です。これらのハドロンは、質量エネルギー等価性の現れとして、クォーク-クォーク結合に十分なエネルギーが付与されたときに生成されます。例えば、粒子加速器実験において、ある陽子のクォークが別の陽子の非常に高速なクォークに衝突した場合などが挙げられます。しかしながら、クォーク-グルーオンプラズマは観測されています。[ 8 ]
ハドロン間
色の閉じ込めは、束縛されたクォーク（ハドロン）のコンパクトな集合体において、クォーク対間の強い力が距離減衰なしに作用することを意味しますが、陽子の半径に近いかそれを超える距離では、残余力（後述）が残ります。これは「無色」なハドロン間の力として現れ、核力または残余強い力（歴史的には強い核力）として知られています。
核力は、中間子と重粒子として知られるハドロン間に作用します。この「残留強い力」は間接的に作用し、仮想π中間子とρ中間子の一部を形成するグルーオンを伝達します。グルーオンは、（水素1原子核以外の）原子核を結合させている核子間の力を伝達します。[ 9 ]
残留強い力は、クォークを陽子と中性子に結びつける強い力のわずかな残余です。この同じ力は、中性子と陽子の間でははるかに弱くなります。なぜなら、この力はそれらの間でほとんど中和されているからです。これは、中性原子間の電磁力（ファンデルワールス力）が、電子を原子核に結合させて原子を形成する電磁力よりもはるかに弱いのと同じです。 [ 7 ]
強い力とは異なり、残留強い力は距離とともに急速に減少します。この減少はおおよそ距離の負の指数関数で表されますが、これを表す簡単な式は知られていません。湯川ポテンシャルを参照してください。残留引力の距離に伴う急激な減少と、原子核内の陽子間に作用する電磁気的な斥力の減少速度が遅いことが、原子番号82（元素番号鉛）より大きいすべての原子核のような、より大きな原子核の不安定性を引き起こします。
核力は強い相互作用自体よりも弱いものの、依然として非常にエネルギーが高い。遷移によってガンマ線が発生する。原子核の質量は、個々の核子の質量の合計とは大きく異なる。この質量欠損は、核力に関連する位置エネルギーによるものである。質量欠損の違いが、核融合と核分裂のエネルギー源となっている。
統一
いわゆる大統一理論（GUT）は、強い相互作用と電弱相互作用を単一の力の側面として記述することを目的としており、これはグラショー・ワインバーグ・サラム模型によって電磁相互作用と弱い相互作用が電弱相互作用に統一された方法に似ています。強い相互作用には漸近的自由と呼ばれる特性があり、強い力の強さは高エネルギー（または温度）で減少します。その強さが電弱相互作用と等しくなる理論上のエネルギーが大統一エネルギーです。しかし、この過程を記述する大統一理論はまだうまく定式化されておらず、大統一は物理学における未解決問題のままです。
大統一理論が正しいとすれば、ビッグバン後、宇宙の電弱時代に電弱力が強い力から分離したと考えられます。したがって、それ以前に 大統一時代が存在していたと仮定されます。
参照
参考文献
- ^相互作用の相対的な強さは距離によって異なります。例えば、マット・ストラスラーのエッセイ「既知の力の強さ」を参照してください。
- ^ a b「4つの力：強い相互作用 デューク大学天体物理学科ウェブサイト」。
- ^ Ragheb, Magdi. 「第4章 核過程、強い力」(PDF) . イリノイ大学. 2012年12月18日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2023年10月3日閲覧。
- ^ 「レッスン13：結合エネルギーと質量欠損」 . Furry Elephant 物理教育サイト. 2023年5月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2023年10月3日閲覧。
- ^ Wilczek, Frank (1982). 「量子色力学：強い相互作用の現代理論」. Annual Review of Nuclear and Particle Science . 32 (1): 177– 209. Bibcode : 1982ARNPS..32..177W . doi : 10.1146/annurev.ns.32.120182.001141 .
- ^ファインマン, RP (1985). QED: 光と物質の奇妙な理論. プリンストン大学出版局. p. 136. ISBN 978-0-691-08388-9馬鹿な物理学者たちは、
もう素晴らしいギリシャ語の言葉を思いつくこともできず、このタイプの偏光を「色」という残念な名前で呼んでいますが、これは通常の意味での色とはまったく関係がありません。
- ^ a b Fritzsch, H. (1983).クォーク：物質の素粒子. ベーシックブックス. pp. 167–168 . ISBN 978-0-465-06781-7。
- ^ 「クォーク・グルーオン・プラズマは物質の最も原始的な状態である」 About.com Education。2017年1月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2017年1月16日閲覧。
- ^ “3. 強い力” (PDF) . ケンブリッジ大学応用数学・理論物理学科. 2021年10月22日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2023年1月10日閲覧。
さらに読む
- Christman, JR (2001). 「MISN-0-280:強い相互作用」(PDF) .
- ディン・ミンフイ、ロバーツ・クレイグ、シュミット・セバスチャン編 (2024).標準模型における強い相互作用：質量ゼロのボソンからコンパクト星までMDPI . ISBN 978-3-7258-1502-9。
{{cite book}}:|journal=無視されました (ヘルプ) - ハルゼン, F. ;マーティン, AD (1984). 『クォークとレプトン：現代素粒子物理学入門』 ジョン・ワイリー・アンド・サンズ. ISBN 978-0-471-88741-6。
- ケイン、GL（1987年）『現代素粒子物理学』ペルセウスブックス、ISBN 978-0-201-11749-3。
- モリス、R. (2003). 『最後の魔術師たち：錬金術から周期表への道』ジョセフ・ヘンリー・プレス. ISBN 978-0-309-50593-2。
外部リンク
