チャームクォーク（cクォーク）とは？性質・電荷・発見とJ/ψ・D中間子

チャームクォーク（cクォーク）は、6つのクォークの中で上から数えて3番目に重い（第2世代の「アップ型」）クォークです。電荷はアップ・クォークと同じく+2/3の電荷を持ち、フェルミオンに属するため、そのスピンは1/2です。質量はエネルギー換算でおおよそ1.27 GeV/c²（短絡的な値で表現）とされ、強い相互作用（色荷）を持つため単独で自由に存在することはできず、必ず他のクォークと結びついてハドロン（中間子やバリオン）を形成します。

主な性質

• 電荷：+2/3 e（素電荷単位）
• スピン：1/2（フェルミオン）
• 世代：第2世代のアップ型クォーク
• 質量の目安：約1.27 GeV/c²（符号付きの誤差や測定方法による差がある）
• 相互作用：強い相互作用により「色」を持ち、グルーオンを介して他のクォークと結合する

チャームを含む代表的なハドロン（中間子）

チャームクォークは様々なハドロンを作ります。代表例として：

• チャーモニウム（charmonium）：チャームと反チャームが結合した系（c c̄）。最も有名なのがJ/ψ中間子で、質量は約3.097 GeV/c²、幅が非常に狭い（寿命が比較的長い）のが特徴です。
• D中間子：チャームと軽い反クォーク（ū, d̄）からなる中間子。例としてD0（cū）やD+（c d̄）があり、質量は約1.86 GeV/c²、寿命は10^−13〜10^−12秒程度です。

生成と崩壊

チャームクォークは高エネルギーの衝突で生成されます。実験的には粒子加速器での衝突や宇宙線などで作られ、特に電子・陽電子衝突や陽子・陽子衝突で明瞭に観測されます。ここでの「原子を超高速で衝突させる装置」という説明は、加速器でビーム同士をぶつけて高いエネルギー密度を作り出すことを指します。

チャームクォークを含むハドロンは主に弱い相互作用により崩壊します（例：c → s + W+ → 最終的にカイオンやパイオンなど）。崩壊過程の時間スケールが短くないため、検出器では中間子の崩壊点が一次反応点から離れて観測される（displaced vertex）ことが多く、これがチャームの識別に用いられます。

発見と「11月革命」

1974年に、チャームを含む新しい中間子が独立に二つの研究グループによって観測されました。一方は Brookhaven の Samuel C. C. Ting（名称は "J"）、もう一方は SLAC の Burton Richter（名称は "ψ"）による観測で、同じ新粒子（現在の J/ψ）を示していました。この出来事は素粒子物理学における重要な転換点となり、「11月革命」と呼ばれています。J/ψ の発見はチャームクォーク存在の確証となり、標準模型の発展やクォークモデルの広範な受け入れを促しました。

物理学における役割と応用

チャームクォークとチャームハドロンは、量子色力学（QCD）の検証やハドロン構造の研究、味（フレーバー）物理学の実験に重要です。チャーム生成は重イオン衝突でのクォーク・グルーオンプラズマの性質を調べるプローブとしても使われます。また、D中間子系での混合やCP対称性の破れは標準模型の精密検査につながります。

要点まとめ

• チャームクォークは第2世代のアップ型クォークで、電荷は+2/3。
• 単独では観測されず、J/ψなどのチャーモニウムやD中間子などのハドロンとして存在する。
• 1974年のJ/ψ発見（「11月革命」）はチャームの存在を確立し、素粒子物理学の発展に大きく貢献した。
• 実験では加速器を用いた高エネルギー衝突で生成され、崩壊の特徴（寿命・離れた崩壊点）を手がかりに研究される。

質問と回答

Q:チャームクォークとは何ですか?

Q: チャームクォークの質量はどのくらいですか?

Q: チャームクォークはどこで見つけることができますか?

Q: チャームクォークは自然界に普通に存在するのですか?

Q:チャームクォークとJ/ψ中間子の発見の意義は何ですか?

Q: チャームクォークの電荷は何ですか?

Q: チャームクォークとはどのような粒子ですか?

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