ボトムクォーク（ビューティークォーク）—性質・電荷・崩壊とB中間子の役割

ボトム（ビューティー）クォークの性質・電荷・崩壊過程とB中間子での役割をわかりやすく解説。最新知見と基礎を短く整理。

ボトムクォークやビューティクォークは、素粒子（これ以上分割できないほど小さな粒子）の一つで、クォークの中では2番目に質量の大きい粒子である。 クォークはすべて素粒子であり、ボトムクォークは第三世代に属する重いクォーク（記号は b ）です。ボトムクォークはダウンクォークと同様に-1/3の電荷を持っていますが、その質量は軽いクォークよりずっと大きく、実効質量はおおむね数GeV/c²（約4〜5 GeV/c² 程度）です。

生成と閉じ込め（ハドロン化）

ボトムクォークは単独で自由に存在することはなく、量子色力学（QCD）による閉じ込めのため常に他のクォークや反クォークと結合して

ハドロン

崩壊と寿命

ボトムクォークは弱い力により崩壊します。崩壊の主経路はチャームクォークへの遷移（b → c）ですが、アップクォークへの遷移（b → u）も起こります（原文：アップクォークに崩壊する。）。崩壊の典型的な時間スケールは10⁻¹² 秒程度（Bハドロンの寿命は約1ピコ秒オーダー）で、崩壊様式には半整列崩壊（準安定的なレプトンを伴うセミレプトニック崩壊）やハドロン崩壊の他、まれな過程（例：フレーバー変化を伴う放射崩壊 b → sγ や希な半過程）があります。これら希な崩壊や分岐比の精密測定は標準模型を超える新しい物理を探す感度の高い手段です。

B中間子と物理学への貢献

• B中間子の崩壊ではCP対称性の破れ（物質と反物質の振る舞いの差）が精密に測定され、バリオン数非対称性やCKM行列の要素（特に |V_cb| や |V_ub|）の決定に重要です。
• 実験的には BaBar、Belle、LHCb などがB物理を中心に精密測定を行い、標準模型の検証や新物理の兆候（例：希な崩壊の偏差、レプトンフレーバー非普遍性の可能性）を調べています。
• ボトモニウム（bb̄）分光は、重いクォーク系のポテンシャルモデルや重クォーク有効理論（HQET）などの理論検証に有用です。

理論的扱いと実験

ボトムクォークは十分重いため、ハドロン内では非相対論的近似やHQET、格子QCDなどの理論手法が有効です。一方、トップクォークとは異なり、ボトムクォークはハドロン化してから崩壊するため、崩壊生成物を通じて性質を間接的に測定します。粒子加速器（LHC、かつてのTevatronなど）では高エネルギー衝突で大量のb対が生成され、トリガーや頂いた崩壊チャネルを用いて精密測定が行われています。

まとめ：ボトム（ビューティー）クォークは第三世代の重いクォークで、電荷は-1/3e、質量は数GeV/c²程度、弱い相互作用で主にチャームやアップに崩壊します。B中間子やボトモニウムを通じて標準模型の重要な検証や新物理の探索に寄与しており、現代の粒子物理学で中心的な役割を果たしています。

質問と回答

Q: ボトムクォークは一般的ですか?

Q: すべてのクォークはどのような粒子ですか?

Q: 素粒子の中で一番重いのは何ですか?

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