クォークについて

原子の中には何があるのか？ 陽子の中はどうなっているのでしょう？

原子には陽子と中性子からなる原子核があり、その周りを電子の雲が取り巻いています。 より深く探る実験では、電子は構造を持たないが、陽子と中性子には構造があることがわかった。 その中にはクォークと呼ばれる基本粒子があり、クォークは互いに強く引き合うため、通常の条件下では自由な粒子として存在することができない。 宇宙論者は、ビッグバン直後の信じられないような状況では、クォークはクォーク・グルーオン・プラズマと呼ばれる物質の状態の中に自由に存在できたと理論化しており、一部の素粒子物理学者は実験室でその状態を作り出そうとしている。 (核のノックダウン参照）

陽子と中性子のクォーク構造の図（図提供：ブルックヘブン国立研究所）
陽子と中性子のクォーク構造の図（図提供：ブルックヘブン国立研究所）
表

どうやってクォークの存在がわかるのでしょうか？ 自由なクォークを観測することはできないので、間接的な測定から推測するしかない。 例えば、非常に高いエネルギーの電子を陽子に衝突させると、衝突後の粒子の分布から、陽子の内部に小さな粒子があることがわかります。

クォークには、アップ、ダウン、ストレンジ、チャームド、ボトム、トップの6つの「フレーバー」があり、これらのそれぞれにアンチクォークが存在しています。 (反物質についての話題を参照)

アップクォークとダウンクォークの組み合わせは、図に示すように、陽子にはアップクォーク2つとダウン1つ、中性子にはアップクォーク1つとダウン2つの核粒子を作っています。 クォークの電荷が組み合わさって、下と表に示すように陽子と中性子の電荷になる。

陽子=アップクォーク+アップクォーク+ダウンクォーク
陽子の電荷：
+1 = 2/3 + 2/3 – 1/3

中性子=アップクォーク+ダウンクォーク
中性子の電荷：
アップクォーク+ダウンクォーク+ダウンクォーク
中性子の電荷。
0 = 2/3 -1/3 – 1/3

別の種類の粒子である中間子は、2つのクォーク、より具体的には、クォークと反クォークから構成されています。 例えば、πプラスは、アップクォークとアンチダウンクォークです。 つまり、クォークでできている粒子は、原子核の素粒子（陽子と中性子）と中間子の2種類になります。

研究

標準模型によると、陽子、中性子、π中間子、およびその他の関連粒子は、クォークのさまざまな組み合わせで構成されています。 この理論では、5つのクォークからなる粒子（ペンタクォーク）が可能である。 物理学には「禁じられたもの以外は必要である」という格言がある。 このことを念頭に置いてか、物理学者たちは30年もの間、5つのクォーク粒子を探し続けてきた。 1997年、ロシアの3人の物理学者が、2つのアップクォーク、2つのダウンクォーク、1つのアンチストレンジクォークからなるペンタクォークは、約1.5倍の大きさになるだろうと予測し、この探索に新しい方向性が与えられた。

ガンマ線の吸収によるペンタクォークの生成
原子核がガンマ線（くねくねした線）を吸収することによってペンタクォークが生成される。 ペンタクォークは急速に崩壊するため観測できないので、ガンマ線やペンタクォークが崩壊するときに生成されるK+中間子の観測からその存在を推測する必要がある（画像提供：米国物理学会 Physics News Graphics）。
ジェファーソン研究所のK中間子検出器
ペンタクォークが観測された研究所の一つジェファーソン研究所（JLab）のK中間子検出器（写真提供：Greg Adams, Jefferson Lab）

ペンタクォークは図のように軽い原子核に高いエネルギーのガンマ線を照射して生成されます。 ペンタクォークは10-20秒しか生きられず、中性子とK+中間子（図の右上）に崩壊するので、ペンタクォーク自体を検出することはできない。 中間子とガンマ線の観測によってペンタクォークの存在が証明され、さらに3つの実験によってこの結果が確認された。 よくあることですが、この発見によって興味深い新しい疑問が生じました。というのも、実験家たちを発見に導いた理論が、ペンタクォークの性質をすべて正しく予測しているわけではないことが判明したのです。 この理論に対抗する理論もすでに登場しており、どちらの理論もまだ発見されていない粒子、しかも質量が異なる粒子を予測しているため、今後の実験によってこの意見の相違が解決されるかもしれません。 いずれにせよ、素粒子物理学はエキサイティングな時代なのです。

Links

Lawrence Berkeley National Lab

  • The Particle Adventure

Stanford Linear Accelerator

  • Particle Theory

The Past of Physics

Stanフォードリニア加速器 Exploratorium/CERN

  • The Standard Model
Jefferson Lab検出器の建設
Jefferson Lab検出器の建設（写真提供：Jlab/Department of Energy).