クォーク

クォーク
3つの色付きボール（クォークを表す）がバネ（グルーオンを表す）で対になって繋がっており、すべて灰色の円（陽子を表す）の中にあります。ボールの色は赤、緑、青で、各クォークの色電荷に対応しています。赤と青のボールには「u」（アップクォーク）のラベルが、緑のボールには「d」（ダウンクォーク）のラベルが付けられています。
陽子は2つのアップクォーク、1つのダウンクォーク、そしてそれらを「結びつける」力を媒介するグルーオンで構成されています。個々のクォークの色は任意ですが、3色すべてが存在する必要があります。赤、青、緑は、白色を作り出す原色に例えられています。
構成素粒子
統計フェルミオン
世代1位、2位、3位
相互作用強い、弱い、電磁気、重力
シンボルq
反粒子反クォーク（q）
理論化された
発見したSLAC（ 1968年頃）
種類6（上、下、奇妙、魅力、下、上）
電荷+ ⁠2/3⁠  e、 − ⁠1/3⁠  e
カラーチャージはい
スピン⁠1/2⁠  ħ
バリオン数⁠1/3⁠

クォーク( / ˈ k w ɔːr k , ˈ k w ɑːr k /​ⓘ ）は素粒子の一種であり物質の基本的な構成要素で。クォークは結合してハドロンと呼ばれる複合粒子、その中で最も安定しているのは原子核の構成要素陽子と中性子。 [ 1 ]一般に観測可能な物質はすべてアップクォーク、ダウンクォーク、電子色の閉じ込めとして知られる現象のため陽子や中性子などの重粒子中間子、またはクォーク・グルーオン・プラズマのみ見つかる。 [ 2 ] [ 3 ] [注 1 ]このため、クォークについて知られていることの多くはハドロンの観測から得られたものである。

クォークは、電荷、質量、色荷、スピンなど、様々な固有の特性を持っています。素粒子物理学の標準モデルにおいて、クォークは4つの基本的な相互作用（基本的な力とも呼ばれる） （電磁力、重力、強い相互作用、弱い相互作用）をすべて受ける唯一の素粒子であり、また、電荷が素電荷の整数倍ではない唯一の既知の粒子でもあります。

クォークにはフレーバーと呼ばれる6つの種類があります。アップ、ダウン、チャーム、ストレンジ、トップ、ボトムです。[ 4 ]アップクォークとダウンクォークは、すべてのクォークの中で最も質量が小さいです。重いクォークは、粒子の崩壊、つまり高質量状態から低質量状態への変化の過程を経て、急速にアップクォークとダウンクォークに変化します。このため、アップクォークとダウンクォークは一般に安定しており、宇宙で最も一般的です。一方、ストレンジ、チャーム、ボトム、トップクォークは、高エネルギー衝突（宇宙線が関係するものや粒子加速器内など）でのみ生成されます。すべてのクォークフレーバーには、反クォークと呼ばれる対応する種類の反粒子があり、クォークとは、一部の特性（電荷など）が大きさは等しく符号が反対であるという点でのみ異なります。

クォーク模型は、 1964年に物理学者マレー・ゲルマンとジョージ・ツヴァイクによって独立に提唱されました。[ 5 ]クォークはハドロンの秩序体系の一部として導入されましたが、1968年にスタンフォード線形加速器センターで行われた深非弾性散乱実験まで、その物理的存在を示す証拠はほとんどありませんでした。 [ 6 ] [ 7 ]加速器プログラムの実験により、6つのフレーバーすべてについて証拠が得られました。フェルミ国立加速器研究所で1995年に初めて観測されたトップクォークは、最後に発見されたクォークです。[ 5 ]

分類

4行4列の粒子表。列は物質（フェルミオン）の3世代と力（ボソン）の1世代を表します。最初の3列には、2行にクォークと2つのレプトンが含まれます。上2行の列には、それぞれアップクォーク（u）とダウンクォーク（d）、チャームクォーク（c）とストレンジクォーク（s）、トップクォーク（t）とボトムクォーク（b）、光子（γ）、グルーオン（g）が含まれます。下2行の列には、電子ニュートリノ（ν sub e）と電子（e）、ミューニュートリノ（ν sub μ）とミューオン（μ）、タウニュートリノ（ν sub τ）とタウ（τ）、そして弱い力（Z sup 0）とW sup ±が含まれます。各粒子の質量、電荷、スピンがリストされています。
標準模型の粒子のうち6つはクォーク（紫色で表示）です。最初の3列はそれぞれ物質の世代を形成します。

標準モデルは、既知のすべての素粒子を記述する理論的枠組みです。このモデルには、アップ（u）、ダウン（d）、ストレンジ（s）、チャーム（c）、ボトム（ b ）、トップ（ t ）という6種類のクォーク（q ）が含まれます。[ 4 ]クォークの反粒子は反クォークと呼ばれ、対応するクォークの記号の上にバーが付きます（例えば、アップ反クォークはu ） 。一般的な反物質と同様に、反クォークはそれぞれのクォークと同じ質量、平均寿命、スピンを持ちますが、電荷やその他の電荷の符号は逆になります。[ 8 ]

クォークはスピン- ⁠1/2⁠粒子であり、スピン統計定理によればフェルミオンである。パウリの排他原理によれば、2つの同一のフェルミオンが同時に同じ量子状態を占めることはできない。これは、任意の数のボソン（整数スピンを持つ粒子）が同じ状態になることができることとは対照的である。 [ 9 ]レプトンとは異なり、クォークはカラーチャージを持ち、強い相互作用を引き起こす。結果として生じる異なるクォーク間の引力により、ハドロンと呼ばれる複合粒子が形成される（以下の「強い相互作用とカラーチャージ」を参照）。

ハドロンの量子数を決定するクォークは価クォークと呼ばれ、これとは別にハドロンには量子数に影響を与えない仮想の「海」クォーク、反クォーク、グルーオンが無数に含まれている可能性がある。 [ 10 ]ハドロンには2つのファミリーがある。3つの価クォークを含む重粒子と、価クォークと反クォークを含む中間子である。 [ 11 ]最も一般的な重粒子は陽子と中性子で、原子核の構成要素である。[ 12 ]多数のハドロンが知られているが（重粒子の一覧と中間子の一覧を参照）、そのほとんどはクォークの内容とこれらの構成クォークが付与する特性によって区別される。テトラクォーク（q q q q ）やペンタクォーク（q q q q q ）などの価数クォークを多く持つ「エキゾチック」ハドロンの存在は、クォーク模型の誕生当初から推測されていたが[ 13 ]、21世紀初頭まで発見されなかった。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

素粒子は3世代に分類され、各世代は2つのレプトンと2つのクォークから構成される。第1世代にはアップクォークとダウンクォーク、第2世代にはストレンジクォークとチャームクォーク、第3世代にはボトムクォークとトップクォークが含まれる。第4世代のクォークとその他の素粒子の探索はすべて失敗しており、[ 18 ] [ 19 ]、3世代までしか存在しないという強力な間接的証拠がある。[注 2 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]上位世代の粒子は一般に質量が大きく安定性が低いため、弱い相互作用によって下位世代の粒子に崩壊する。自然界では第1世代（アップクォークとダウンクォーク）だけが一般的に存在する。より重いクォークは高エネルギー衝突（宇宙線が関与するような）でのみ生成され、急速に崩壊する。しかし、ビッグバン後の最初のほんの一瞬、宇宙が極めて高温高密度の状態（クォーク時代）にあった時代には、クォークは存在していたと考えられています。より重いクォークの研究は、粒子加速器などの人工的に作り出された環境で行われています。[ 23 ]

電荷、質量、色荷、フレーバーを持つクォークは、現代物理学の4つの基本的な相互作用（電磁気、重力、強い相互作用、弱い相互作用）すべてに関与する唯一の既知の素粒子です。 [ 12 ]重力は、エネルギー（プランクエネルギー）と距離（プランク距離）の極端な場合を除いて、個々の粒子間の相互作用には関係しないほど弱いです。しかし、重力に関する成功した量子理論が存在しないため、重力は標準モデルでは記述できません。

6 つのクォーク フレーバーの特性のより完全な概要については、以下の 特性表を参照してください。

歴史

マレー・ゲルマン（2007）
ジョージ・ツヴァイク（2015）

クォーク模型は1964年に物理学者のマレー・ゲルマン[ 24 ]とジョージ・ツヴァイク[ 25 ] [ 26 ]によって独立に提唱された。 [ 5 ]この提案は、ゲルマンが1961年に八重法として知られる粒子分類システム、あるいはより専門用語ではSU(3)フレーバー対称性と呼ばれる、その構造を合理化した定式化を行った直後に行われた。[ 27 ]物理学者ユヴァル・ネーマンは同年、八重法に類似した体系を独自に開発していた。[ 28 ] [ 29 ]構成要素の組織化の初期の試みは坂田模型で可能だった。

クォーク理論が誕生した当時、「粒子動物園」には、他の粒子に加えて、多数のハドロンが含まれていました。ゲルマンとツヴァイクは、それらは素粒子ではなく、クォークと反クォークの組み合わせで構成されていると仮定しました。彼らのモデルには、アップクォーク、ダウンクォーク、ストレンジクォークの3種類のクォークが含まれており、それぞれにスピンや電荷などの特性が与えられました。[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]この提案に対する物理学界の当初の反応は複雑でした。特に、クォークが物理的な実体なのか、それとも当時はまだ十分に理解されていなかった概念を説明するための単なる抽象概念なのかという点が議論の的となりました。[ 30 ]

1年も経たないうちに、ゲルマン・ツヴァイク模型の拡張が提案された。シェルドン・グラショーとジェームズ・ビョルケンは、クォークの第4のフレーバーの存在を予測し、これをチャームと名付けた。この拡張が提案されたのは、弱い相互作用（クォークの崩壊を可能にするメカニズム）をより適切に記述できるようになり、既知のクォークの数と既知のレプトンの数を等しくし、既知の中間子の質量を正しく再現する質量式を導き出したためである。[ 31 ]

1968年にスタンフォード線形加速器センター（SLAC）で実施され、1969年10月20日に発表された深非弾性散乱実験では、陽子にははるかに小さな点状の物体が含まれており、したがって素粒子ではないことが示されました。[ 6 ] [ 7 ] [ 32 ]物理学者は当時、これらの物体をクォークと明確に特定することに消極的で、代わりにリチャード・ファインマンによる造語である「パートン」と呼んでいました。[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] SLACで観測された物体は、後に他のフレーバーが発見されるにつれて、アップクォークとダウンクォークとして特定されました。[ 36 ]それでも、「パートン」はハドロン構成要素（クォーク、反クォーク、グルーオン）の総称として使用され続けています。リチャード・テイラー、ヘンリー・ケンドール、ジェローム・フリードマンは、SLACでの研究により1990年のノーベル物理学賞を受賞した。

泡箱の飛跡の写真と、同じ飛跡の図の横にある。ニュートリノ（写真には写っていない）が下から入射し、陽子と衝突して、負に帯電したミューオン、正に帯電したパイ中間子3個、負に帯電したパイ中間子1個、そして中性のラムダ重粒子（写真には写っていない）を生成する。その後、ラムダ重粒子は陽子と負に帯電したパイ中間子に崩壊し、「V」字型のパターンを形成する。
Σの発見につながった出来事の写真++ c1974年、ブルックヘブン国立研究所で撮影された重粒子線

ストレンジクォークの存在はSLACの散乱実験によって間接的に検証された。それはゲルマンとツヴァイクの3クォークモデルの必須要素であっただけでなく、 1947年に宇宙線で発見されたカオン（K）とパイオン（π）ハドロンの説明を提供した。 [ 37 ]

1970年の論文で、グラショー、ジョン・イリオポロス、ルチアーノ・マイアーニは、フレーバーを変える中性カレントが実験的に観測されないことを説明するGIMメカニズム（彼らの頭文字にちなんで名付けられた）を提示した。この理論モデルは、当時未発見だったチャームクォークの存在を必要とした。[ 38 ] [ 39 ]クォークフレーバーの数は、1973年に小林誠と益川敏英が、 CP対称性の破れ[注3 ] [ 40 ]の実験的観測は、別のクォークペアがあれば説明できると指摘した時点で、現在の6種類にまで増加した。

チャームクォークは1974年11月に2つのチームによってほぼ同時に生成された（11月革命参照）。1つはSLACのバートン・リヒター率いるチーム、もう1つはブルックヘブン国立研究所のサミュエル・ティング率いるチームである。チャームクォークは中間子の中でチャーム反クォークと結合しているのが観測された。両チームは発見された中間子にJとψという2つの異なる記号を割り当てたため、正式にはJ/ψ中間子として知られるようになった。この発見により、物理学界はクォーク模型の妥当性を確信するに至った。[ 35 ]

その後数年間、クォークモデルを6つのクォークに拡張する提案が数多く発表されました。その中で、1975年に発表されたハイム・ハラリ[ 41 ]の論文は、追加されたクォークに「トップ」と「ボトム」という用語を初めて用いたものでした[ 42 ] 。

1977年、フェルミ国立加速器研究所のレオン・レーダーマン率いるチームによってボトムクォークが観測された。[ 43 ] [ 44 ]これはトップクォークの存在を強く示唆するものであり、トップクォークがなければボトムクォークもパートナーを持たなかったであろう。トップクォークが観測されたのは1995年になってからであり、これもフェルミ国立加速器研究所のCDF [ 45 ]とDØ [ 46 ]チームによって行われた。 [ 5 ]トップクォークの質量は予想をはるかに上回り、[ 47 ]金原子とほぼ同じであった。[ 48 ]

語源

ゲルマンは、自分が造ろうとしていた用語の綴りをしばらく決めかねていたが、ジェイムズ・ジョイスの1939年の著書『フィネガンズ・ウェイク』で「​​クォーク」という単語を見つけた。[ 49 ]

マスターマークに3クォーク！ 確かに、彼は吠えることはあまり得意ではないし 、もし吠えることがあったとしても、それは全く的外れだ。

quarkという語は、けたたましい鳴き声を意味する古英語であり[ 50 ]、上記に引用した行は、トリスタンとイゾルデの伝説で、鳥の合唱団がコーンウォール王マークを嘲笑する話である。[ 51 ]しかし、特にドイツ語圏では、ジョイスがこれをQuarkという語から取ったという伝説が広く信じられている。 [ 52 ] Quark はスラブ語起源のドイツ語で、カードチーズを意味するが[ 53 ]、「つまらないナンセンス」を意味する口語でもある。[ 54 ]伝説では、ジョイスがドイツへの旅の途中、フライブルクの農民市場でそれを聞いたとされている。[ 55 ] [ 56 ]しかし、一部の著述家は、ジョイスのquark という語のドイツ語起源の可能性を擁護している。[ 57 ]ゲルマンは1994年の著書『クォークとジャガー』でクォークの名前についてさらに詳しく説明している。[ 58 ]

1963年、核子の基本構成要素に「クォーク」という名前をつけたとき、綴りは分からず、音だけが先にありました。「kwork」だったかもしれません。その後、ジェイムズ・ジョイスの『フィネガンズ・ウェイク』を時々読んでいた時、「Three quarks for Muster Mark（マークに三つのクォークを）」というフレーズの中に「quark」という単語を見つけました。「quark」（カモメの鳴き声を意味する）は明らかに「Mark」や「bark」といった単語と韻を踏むことを意図していたので、「kwork」と発音する言い訳を探さなければなりませんでした。しかし、この本はハンフリー・チンプデン・イアウィッカーという酒場の店主の夢を描いています。本文中の単語は、通常、複数の出典から同時に引用されています。例えば、『鏡の国のアリス』に登場する「かばん語」のような単語です。時折、酒場での飲み物の注文によって部分的に決まるフレーズが登場します。そこで私は、「マークさんにクォークを3つ」という叫びの複数の起源の一つは「マークさんにクォートを3つ」かもしれないと主張しました。その場合、「kwork」という発音は全く不当ではないでしょう。いずれにせよ、3という数字は自然界におけるクォークの発生様式に完璧に合致していました。

ツヴァイクは彼が理論化した粒子にエースという名前を好んだが、クォークモデルが一般的に受け入れられるとゲルマンの用語が目立つようになった。[ 59 ]

クォークフレーバーの名前は、いくつかの理由から付けられました。アップクォークとダウンクォークは、それらが担うアイソスピンのアップとダウン成分にちなんで名付けられました。 [ 60 ]ストレンジクォークは、クォークモデルが提案される何年も前に宇宙線で発見されたストレンジ粒子の成分であることが発見されたため、その名前が付けられました。これらの粒子は、異常に長い寿命を持つことから「ストレンジ」とみなされました。[ 61 ]ビョルケンと共にチャームクォークを共同提案したグラショーは、「私たちはこの概念を『チャームドクォーク』と呼びました。チャームクォークが亜原子核の世界にもたらした対称性に魅了され、喜んだからです」と述べています。[ 62 ]ハラリによって造られた「トップ」と「ボトム」という名前は、「アップクォークとダウンクォークの論理的なパートナー」であるために選ばれました。[ 41 ] [ 42 ] [ 61 ]トップクォークとボトムクォークの別名はそれぞれ「真実」と「美しさ」であるが、[注 4 ]これらの名前はやや使われなくなっている。[ 66 ] 「真実」という名前は定着しなかったが、ボトムクォークの大量生産に特化した加速器施設は「美しさの工場」と呼ばれることもある。[ 67 ]

プロパティ

電荷

クォークは分数電荷値を持ちます。1/3⁠、または + ⁠2/3⁠ はフレーバーに応じて素電荷（e ）の倍になります。アップクォーク、チャームクォーク、トップクォーク（まとめてアップ型クォークと呼ばれる）の電荷は + ⁠2/3⁠  e ; ダウンクォーク、ストレンジクォーク、ボトムクォーク（ダウン型クォーク）の電荷は − ⁠1/3⁠  e . 反クォークは対応するクォークと反対の電荷を持ちます。アップ型反クォークの電荷は − ⁠2/3⁠  eとダウン型反クォークの電荷は+ ⁠1/3⁠  e 。ハドロンの電荷は構成クォークの電荷の合計であるため、すべてのハドロンは整数電荷を持ちます。3つのクォーク（重粒子）、3つの反クォーク（反重粒子）、またはクォークと反クォーク（中間子）の組み合わせは、常に整数電荷になります。[ 68 ]たとえば、原子核のハドロン構成要素である中性子と陽子は、それぞれ 0  eと +1  eの電荷を持ちます。中性子は2つのダウンクォークと1つのアップクォークで構成され、陽子は2つのアップクォークと1つのダウンクォークで構成されています。[ 12 ]

スピン

スピンは素粒子の本質的な性質であり、その方向は重要な自由度である。スピンは、物体が自身の軸を中心に回転する様子として視覚化されることもある（そのため「スピン」と呼ばれる）。しかし、素粒子は点状であると考えられているため、この概念は原子核より小さなスケールではやや誤解を招く。[ 69 ]

スピンは、長さが換算プランク定数ħ （「hバー」と発音）を単位とするベクトルで表すことができます。クォークの場合、スピンベクトル成分を任意の軸に沿って測定すると、+ ⁠の値しか得られません。ħ/2⁠または − ⁠ħ/2⁠ ; このためクォークはスピン⁠に分類されます1/2⁠粒子。 [ 70 ]与えられた軸（慣例的にZ軸）に沿ったスピン成分は、値+ ⁠に対して上向き矢印↑で示されることが多い。1/2⁠そして値の下矢印 ↓ − ⁠1/2⁠はフレーバー記号の後に置かれます。例えば、スピンが + ⁠のアップクォークは、1/2z軸に沿った方向はu↑で示される。[ 71 ]

弱い相互作用

ほとんどが直線の矢印で構成された樹形図。ダウンクォークはアップクォークと波矢印のW[上付きマイナス]ボソンに分岐し、後者は電子と逆矢印の電子反ニュートリノに分岐する。
中性子が仮想Wを経て陽子、電子、電子反ニュートリノにベータ崩壊するファインマン図−ボソン。時間は上向きに流れている。CKM行列（後述）は、この崩壊や他のクォーク崩壊の確率を符号化する。

あるフレーバーのクォークは、素粒子物理学における4つの基本的な相互作用の1つである弱い相互作用を通じてのみ、別のフレーバーのクォークに変換できます。Wボソンを吸収または放出することにより、アップ型クォーク（アップクォーク、チャームクォーク、トップクォーク）はダウン型クォーク（ダウンクォーク、ストレンジクォーク、ボトムクォーク）に変化し、その逆も可能です。このフレーバー変換メカニズムにより、中性子（n ）が陽子（ p）、電子（e）に「分裂」するベータ崩壊という放射性過程が発生します。−) と反電子ニュートリノ( νe）（図参照）。これは、中性子（u d d ）のダウンクォークの1つが仮想Wを放出してアップクォークに崩壊するときに発生します。−ボソンは中性子を陽子（u u d）に変換します。W−ボソンはその後電子と電子反ニュートリノに崩壊する。[ 72 ]

  n→  p+e−+νe（ベータ崩壊、ハドロン表記）
u d d→あなたあなたd+e−+νe（ベータ崩壊、クォーク表記）

ベータ崩壊と逆ベータ崩壊の逆過程はどちらも、陽電子放出断層撮影(PET)などの医療用途や、ニュートリノ検出を伴う実験で日常的に使用されています。

「アップ型クォーク」と表記される3つの球「u」、「c」、「t」が、「ダウン型クォーク」と表記される3つの球「d」、「s」、「b」の上に立っています。「u」、「c」、「t」の球は、それぞれ「d」、「s」、「b」の球と垂直に並んでいます。色付きの線は「アップ型」クォークと「ダウン型」クォークを結んでおり、色の濃さは2つのクォーク間の弱い相互作用の強さを示しています。「d」から「u」、「c」から「s」、「t」から「b」への線は暗く、「c」から「d」と「s」から「u」への線は灰色がかっています。「b」から「u」、「b」から「c」、「t」から「d」、「t」から「s」への線はほぼ白です。
6つのクォーク間の弱い相互作用の強さ。線の「強度」はCKM行列の要素によって決まります。

フレーバー変換の過程はすべてのクォークで同じですが、各クォークは自身の世代のクォークに変化する傾向を持っています。すべてのフレーバー変換の相対的な傾向は、カビボ・小林・益川行列（CKM行列）と呼ばれる数学的な表で記述されます。ユニタリー性を強制すると、 CKM行列の各要素のおおよその大きさは以下のようになります。 [ 73 ]

[|Vあなたd||Vあなたs||Vあなたb||Vcd||Vcs||Vcb||Vtd||Vts||Vtb|]≈[0.9740.2250.0030.2250.9730.0410.0090.0400.999]、{\displaystyle {\begin{bmatrix}|V_{\mathrm {ud} }|&|V_{\mathrm {us} }|&|V_{\mathrm {ub} }|\\|V_{\mathrm {cd} }|&|V_{\mathrm {cs} }|&|V_{\mathrm {cb} }|\\|V_{\mathrm {td} }|&|V_{\mathrm {ts} }|&|V_{\mathrm {tb} }|\end{bmatrix}}\estimate {\begin{bmatrix}0.974&0.225&0.003\\0.225&0.973&0.041\\0.009&0.040&0.999\end{bmatrix}},}

ここで、V ij はフレーバーiのクォークがフレーバーjのクォークに変化する傾向（またはその逆）を表す。[注5 ]

レプトン（上記のベータ崩壊図のWボソンの右側）には、ポンテコルボ・マキ・ナカガワ・サカタ行列（PMNS行列）と呼ばれる同等の弱い相互作用行列が存在する。[ 74 ] CKM行列とPMNS行列を合わせると全てのフレーバー変換を記述できるが、両者の関係はまだ明らかではない。[ 75 ]

強い相互作用と色彩のチャージ

緑とマゼンタ (「反緑」) の矢印が互いに打ち消されて白になり、中間子を表します。赤、緑、青の矢印が互いに打ち消されて白になり、重粒子を表します。黄色 (「反青」)、マゼンタ、シアン (「反赤」) の矢印が互いに打ち消されて白になり、反重粒子を表します。
すべてのタイプのハドロンの総色電荷はゼロです。
3 色のクォーク、3 つの反クォーク、および 8 つのグルーオン (ゼロ電荷の 2 つが重なり合っている) の強い電荷のパターン。

量子色力学（QCD）によれば、クォークは色荷と呼ばれる性質を持つ。色荷には3種類あり、それぞれ青、緑、赤と任意に名付けられる。[注 6 ]それぞれに反色（反青、反緑、反赤）が付随する。すべてのクォークは色を持ち、すべての反クォークは反色を持つ。[ 76 ]

3つの色の異なる組み合わせを帯びたクォーク間の引力と反発のシステムは強い相互作用と呼ばれ、これはグルーオンと呼ばれる力を伝える粒子によって媒介されます。これについては後ほど詳しく説明します。強い相互作用を記述する理論は量子色力学（QCD）と呼ばれます。単一の色値を持つクォークは、対応する反色を持つ反クォークと結合系を形成できます。2つのクォークが引き合う結果、色は中立になります。つまり、色電荷ξを持つクォークと色電荷−ξを持つ反クォークを組み合わせると、色電荷は0（つまり「白」色）となり、中間子が形成されます。これは、基礎光学における加法色モデルに類似しています。同様に、それぞれ異なる色電荷を持つ3つのクォーク、またはそれぞれ異なる反色電荷を持つ3つの反クォークを組み合わせると、同じ「白」色電荷となり、重粒子または反重粒子が形成されます。[ 77 ]

現代の素粒子物理学では、ゲージ対称性（対称群の一種）が粒子間の相互作用を関連付けています（ゲージ理論を参照）。カラーSU(3)（通常 SU(3) cと略される）は、クォークの色電荷を関連付けるゲージ対称性であり、量子色力学を定義する対称性です。[ 78 ]物理法則が空間のどの方向がx、y、zで指定されるかに依存せず、座標軸が新しい方向に回転されても変化しないのと同様に、量子色力学の物理学は、3次元色空間のどの方向が青、赤、緑として識別されるかに依存しません。 SU(3) c色変換は色空間（数学的に言えば複素空間）での「回転」に対応します。クォークのフレーバーfはそれぞれクォークの色に対応するサブタイプf B、f G、f Rを持ち、 [ 79 ]トリプレット、すなわちSU(3) cの基本表現の下で変換される3成分の量子場を形成する。[ 80 ] SU(3) cが局所的であるという要件、つまりその変換が空間と時間によって変化することが許されるという要件は、強い相互作用の性質を決定する。特に、それは力のキャリアとして作用する8種類のグルーオンの存在を意味する。 [ 78 ] [ 81 ]

質量

6種類のフレーバー全てにおける現在のクォーク質量を、体積比の球体として比較した図。スケールとして、陽子（灰色）と電子 （赤）が左下隅に表示されている。

クォークの質量を表す際に2つの用語が用いられる。現在のクォーク質量はクォーク自身の質量を指し、構成クォーク質量は現在のクォーク質量にクォークを取り囲むグルーオン粒子場の質量を加えたものを指す。 [ 82 ]これらの質量は通常、非常に異なる値を持つ。ハドロンの質量の大部分は、クォーク自体からではなく、構成クォークを束縛するグルーオンから生じる。グルーオンは本質的に質量を持たないが、エネルギー、より具体的には量子色力学結合エネルギー（QCBE）を持ち、これがハドロン全体の質量に大きく寄与する（特殊相対論における質量を参照）。例えば、陽子の質量は約938  MeV/ c 2、そのうち3つの価クォークの静止質量は約9 MeV/ c 2である。残りの大部分はグルーオンの場のエネルギーに起因すると考えられる[ 83 ] [ 84 ]（カイラル対称性の破れを参照）。標準模型は、素粒子の質量がヒッグス粒子に関連するヒッグス機構に由来すると仮定している。トップクォークの質量が約9 MeV/c 2 である理由についてのさらなる研究が期待される。173 GeV/ c 2は金原子の質量とほぼ等しく、[ 83 ] [ 85 ]クォークや他の素粒子の質量の起源についてより多くのことを明らかにする可能性がある。[ 86 ]

サイズ

QCDでは、クォークは点状の実体であり、構造を持たないと考えられています。2014年現在、実験的証拠は、クォークが陽子の10の-4倍以上、つまり10の-4倍未満のサイズでは構造を持たないことを示しています。10 −19 メートル[ 87 ]​

プロパティの表

以下の表は、6つのクォークの主要な性質をまとめたものです。フレーバー量子数（アイソスピン（I 3）、チャーム（C）、ストレンジネス（S、スピンと混同しないでください）、トップネス（T）、ボトムネス（B ′ ））は、特定のクォークフレーバーに割り当てられ、クォークベースのシステムとハドロンの特性を表します。重粒子数（B）は + ⁠1/3⁠すべてのクォークについて、重粒子は3つのクォークから構成されるため、正の符号を持つ。反クォークについては、電荷（Q）とすべてのフレーバー量子数（B、I 3、C、S、T、B ′ ）の符号は逆である。質量と全角運動量（J；点粒子の場合はスピンに等しい）は反クォークでは符号を変えない。

クォークのフレーバー特性[ 83 ]
粒子 質量* [ MeV/ c 2 ] J [ ħ ] BQ [ e ] 私3CSTB′反粒子
名前 シンボル 名前 シンボル
第一世代
上 あなた2.3 ± 0.7  ± 0.5 ⁠1/2⁠+ ⁠1/3⁠+ ⁠2/3⁠+ ⁠1/2⁠0 0 0 0 アンチアップ あなた
下 d4.8 ± 0.5  ± 0.3 ⁠1/2⁠+ ⁠1/3⁠− ⁠1/3⁠− ⁠1/2⁠0 0 0 0 アンチダウン d
第二世代
魅力 c1275 ± 25⁠1/2⁠+ ⁠1/3⁠+ ⁠2/3⁠0 +1 0 0 0 抗呪文 c
奇妙な s95 ± 5⁠1/2⁠+ ⁠1/3⁠− ⁠1/3⁠0 0 −1 0 0 アンチストレンジ s
第三世代
トップ t173 210 ± 510 ± 710 * ⁠1/2⁠+ ⁠1/3⁠+ ⁠2/3⁠0 0 0 +1 0 アンチトップ t
底 b4180 ± 30⁠1/2⁠+ ⁠1/3⁠− ⁠1/3⁠0 0 0 0 −1 アンチボトム b
J :全角運動量、B :重粒子数、Q :電荷、I 3 :アイソスピン、C :チャーム、S :ストレンジネス、T :トップネス、B ′ :ボトムネス。* のような表記法173 210 ± 510  ± 710 は、トップクォークの場合、2 種類の測定不確かさを示します。最初の不確かさは統計的な性質のものであり、2 番目の不確かさは体系的なものです。

相互作用するクォーク

量子色力学で説明されているように、クォーク間の強い相互作用は、質量のないベクトルゲージボソンであるグルーオンによって媒介されます。各グルーオンは、1つの色電荷と1つの反色電荷を帯びています。粒子相互作用の標準的な枠組み（摂動論として知られるより一般的な定式化の一部）では、仮想的な放出および吸収プロセスを通じて、グルーオンはクォーク間で絶えず交換されています。グルーオンがクォーク間で転送されると、両方で色の変化が起こります。たとえば、赤いクォークが赤-反緑グルーオンを放出すると緑になり、緑のクォークが赤-反緑グルーオンを吸収すると赤になります。したがって、各クォークの色は常に変化しますが、それらの強い相互作用は保存されます。[ 88 ] [ 89 ] [ 90 ]

グルーオンはカラーチャージを帯びているため、それ自体が他のグルーオンを放出したり吸収したりすることができます。これにより漸近的自由が生じます。クォーク同士が近づくと、それらの間の色力学的結合力は弱まります。[ 91 ]逆に、クォーク間の距離が増加すると、結合力は強くなります。カラー場は、ゴムバンドが伸ばされたときに張力がかかるのと同じように、応力を受け、適切な色のグルーオンが自発的に生成され、場が強化されます。あるエネルギー閾値を超えると、クォークと反クォークのペアが生成されます。これらのペアは分離中のクォークと結合し、新しいハドロンが形成されます。この現象はカラー閉じ込めとして知られており、クォークは決して単独では現れません。[ 92 ] [ 93 ]このハドロン化のプロセスは、高エネルギー衝突で形成されたクォークが他の方法で相互作用できるようになる前に発生します。唯一の例外はトップクォークで、ハドロン化する前に崩壊することがあります。[ 94 ]

海クォーク

ハドロンには価クォーク（qv）は、その量子数に寄与する仮想的なクォーク-反クォーク（q q）対であり、海クォーク（qs（注：原文に「海クォーク」とあるが、これは原文に「海クォーク」とあるが、...

クォーク物質の他の相

クォーク-グルーオンプラズマは非常に高い温度で存在し、ハドロン相はより低い温度とバリオン密度で存在し、特に核物質は比較的低い温度と中間密度で存在します。カラー超伝導は十分に低い温度と高密度で存在します。
クォーク物質の相図の定性的な表現。図の正確な詳細については現在研究が進められている。[ 97 ] [ 98 ]

十分に極端な条件下では、クォークは束縛状態から「脱束縛」され、より大きな媒質中を熱化された「自由」励起として伝播する可能性がある。漸近的自由化の過程では、強い相互作用は温度上昇とともに弱まる。最終的には、自由に運動するクォークとグルーオンからなる極めて高温のプラズマにおいて、色の閉じ込めは事実上失われる。この物質の理論的な相は、クォーク・グルーオン・プラズマと呼ばれる。[ 99 ]

この状態を生じさせるために必要な正確な条件は不明であり、多くの推測と実験の対象となってきました。推定では、必要な温度は(1.90 ± 0.02) × 10 12ケルビン。[ 100 ]クォークとグルーオンが完全に自由な状態は（1980年代と1990年代にCERNが何度も試みたにもかかわらず）達成されたことはありませんが、 [ 101 ]相対論的重イオン衝突型加速器での最近の実験では、液体のようなクォーク物質が「ほぼ完璧な」流体運動を示す証拠が得られました。[ 102 ]

クォーク・グルーオン・プラズマは、アップクォークとダウンクォークの対数に比べて、より重いクォークの対数が大幅に増加するという特徴を持つ。ビッグバン後10−6秒以前の期間（クォーク時代）には、ハドロンが安定するには温度が高すぎたため、宇宙はクォーク・グルーオン・プラズマで満たされていたと考えられている。[ 103 ]

十分に高い重粒子密度と比較的低い温度（おそらく中性子星に匹敵する）を仮定すると、クォーク物質は弱く相互作用するクォークからなるフェルミ液体へと縮退すると予想される。この液体は、カラークォーククーパー対の凝縮を特徴とし、局所SU(3) c対称性を破る。クォーククーパー対はカラー電荷を帯びているため、このようなクォーク物質相はカラー超伝導となる。つまり、カラー電荷は抵抗なく通過できる。[ 104 ]

参照

説明ノート

  1. ^クォーク物質のよりエキゾチックな相が存在するという理論的可能性もある。
  2. ^主な証拠はZの共鳴幅に基づいている0ボソンは、第4世代ニュートリノの質量が〜より大きいことを制約する。45 GeV/ c 2。これは、質量が45 GeV/c 2 を超えることができない他の3世代のニュートリノとは対照的である。2 MeV/ c 2。
  3. ^ CP 対称性の破れとは、左右を入れ替えると ( P 対称性)、また粒子を対応する反粒子に置き換えると ( C 対称性)、弱い相互作用の振る舞いが変化する現象です。
  4. ^ 「美」と「真実」はキーツの1819年の詩『ギリシャの壺への頌歌』の最後の行で対比されており、これがこれらの名前の由来になった可能性がある。 [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]
  5. ^あるクォークが別のクォークに崩壊する実際の確率は、崩壊するクォークの質量、崩壊生成物の質量、そして対応するCKM行列の要素（その他の変数の中でも特に）の複雑な関数である。この確率は、対応するCKM要素の絶対値の2乗（| V ij  | 2 ）に正比例する（ただし、等しいわけではない）
  6. ^名前にもかかわらず、色電荷は可視光の色スペクトルとは関係ありません。

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