アップクォーク（素粒子）とは？電荷・スピン・陽子・中性子での役割を解説

アップクォークとは？電荷+2/3・スピン1/2の性質と陽子・中性子での役割を図解でわかりやすく解説する入門ガイド

アップクォークは、陽子のような多くの大きな粒子を構成する素粒子の一種で、6種類あるクォーク（フレーバー）のうちの一つです。アップクォークの電荷は+2/3（つまり陽子の電荷の2/3に相当）で、一般に軽いクォークに分類されます。クォークはフェルミオンであり、スピンは1/2を持ち、パウリの排他原理に従います。アップクォークは、重力、強い力、弱い力、そして電磁気という4つの基本的な力の影響を受けます。クォークは非常に小さく、現在のところこれ以上分割できない素粒子と考えられています。

陽子は2個のアップクォーク（それぞれ+2/3の電荷）と1個のダウンクォーク（-1/3の電荷）で成り立ち、電荷の合計は+1になります。一方、中性子は1個のアップクォークと2個のダウンクォークで構成され、電荷の合計は0になります。これが核子（陽子・中性子）が持つ電荷の成り立ちです。アップクォークはまた、パイオンなどのメソン（クォークと反クォークの組）や、多様なバリオン（3個のクォークの組）を作る基本要素でもあります。

クォークは「色荷」と呼ばれる性質を持ち、赤・緑・青の3つの色で表されます。バリオンは3色がちょうど打ち消し合って無色（カラー中性）になり、メソンは色と反色が組になって無色になります。この性質のため、クォークは単独で外に出ることができず、常に束縛状態（ハドロン）として現れます（これを「閉じ込め（コンファインメント）」と呼びます）。一方で、短い距離や高エネルギーではクォーク間の相互作用が弱くなる現象（漸近的自由）も知られています。

アップクォークの質量は測定方法やスケールに依存しますが、標準模型での現在のクォーク質量（「current quark mass」）は約数MeV/c²のオーダーで、陽子や中性子の質量（約938 MeV/c²）に比べて非常に小さいです。クォーク質量はヒッグス機構によって与えられると考えられていますが、ハドロンの質量の大部分はクォーク自身の質量ではなく、強い相互作用（グルーオンのエネルギーやクォークの運動エネルギー）から来ています。

弱い相互作用を介してフレーバーが変化することがあり、これが例えば中性子のベータ崩壊（中性子（udd）の中の1つのダウンクォークがウィーク相互作用によりアップクォークに変わり、電子と反ニュートリノが放出される）として観測されます。反クォークはクォークと逆符号の電荷を持ち、アップ反クォークは電荷-2/3です。

歴史的には、クォーク模型は1964年に提案され、深い非弾性散乱などの実験からクォークの存在が支持されました。今日の実験（加速器実験や格子QCDなど）により、アップクォークの性質やハドロン内部での役割は詳しく調べられていますが、クォークを孤立して観測することはできないため、間接的な測定や理論計算によってその性質が確かめられています。

要点まとめ：

• アップクォークは6種類のクォークの一つで、電荷は+2/3、スピンは1/2。
• 陽子は2つのアップクォークと1つのダウンクォーク（uud）、中性子は1つのアップクォークと2つのダウンクォーク（udd）。
• クォークは色荷を持ち、強い相互作用によりハドロンとして束縛される（単独では存在しない）。
• 弱い相互作用で他のフレーバーに変わることがあり、核反応や崩壊過程で重要な役割を果たす。

質問と回答

Q: 陽子は何でできているのですか?

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