ダウンクォークとは？性質・電荷・役割をわかりやすく解説

ダウンクォークの性質・電荷（-1/3）・役割を図解と例でやさしく解説。反粒子やスピン、原子核での働きも一目で理解。

ダウンクォーク（dと書くこともある）は、陽子や中性子のような多くの大きな粒子を構成するのに役立つ非常に小さな粒子です。電荷は -1/3（素電荷単位）で、フェルミオンに分類されるため（つまり、同じ量子状態に同時に2つ存在することはできない）スピンは1/2です。ダウンクォークは、しばしば第一世代のクォークの一員として扱われ、アップクォークに次いで軽いクォークのひとつとされています。

基本的な性質

• 記号：通常は d と表記されます。
• 電荷：-1/3 e（eは電子の電荷の大きさ）^※
• スピン：1/2（フェルミオン）
• バリオン数：1/3（3つ集まってバリオン＝陽子や中性子を作る）
• 同位体スピン（強い相互作用における等価量）：アイソスピン第三成分 I3 = -1/2（アップクォークは +1/2）
• 色荷：クォークは赤・緑・青の3種類の「色」を持ち、グルーオンを介して強い相互作用（核力の起源）を受けます。

※電荷は素電荷単位で表しています。電子は -1e、アップクォークは +2/3e など。

陽子と中性子での役割

ダウンクォークはハドロン（陽子・中性子などの複合粒子）を構成する主要な成分です。代表的な組み合わせは次のとおりです：

• 陽子（p） = u u d（アップ、アップ、ダウン） → 電荷 +1
• 中性子（n） = u d d（アップ、ダウン、ダウン） → 電荷 0

これらの組み合わせ（＝バレントクォーク）に加え、陽子・中性子内部には「シー（海）クォーク」と呼ばれるクォーク−反クォーク対やグルーオンが動的に存在し、構造を複雑にしています。深い不透過散乱実験などでその内部構造が調べられています。

相互作用と崩壊（役割の一例）

• 強い相互作用：グルーオンを介してクォーク同士を強く結びつけ、ハドロンを形成します。クォークは単独で自由に観測されず、常に色が中和された結合状態（ハドロン）として存在します（色の閉じ込み＝コンファインメント）。
• 電弱相互作用（弱い相互作用）：弱い力によりクォークは別のフレーバーに変化できます。たとえば、ベータ崩壊ではダウンクォークがアップクォークに変わり、ニュートリノや電子（反電子）を放出します。具体例：中性子のベータ崩壊 n → p + e− + ν̄_e の中で、d → u + W−（W−は次に e− と ν̄_e に崩壊）という過程が起きます。

質量と分類

クォークの「質量」には2つの意味があります。ひとつは素の（現在の）クォーク質量で、もうひとつはハドロン内部で有効的に示される「コンスティテュエント質量」です。ダウンクォークの現在質量は数MeV/c^2（目安として約4〜5 MeV/c^2）程度で、アップクォークと同じオーダーで最も軽い部類に入ります。一方、ハドロン内部での有効質量（コンスティテュエント質量）は数百MeV程度になります。

反粒子・表記

ダウンクォークの反粒子は反ダウンクォーク（または単にアンチダウン）で、記号は d̄（d バー）と表記されます。反粒子は電荷が正反対になり、反ダウンクォークは +1/3 e の電荷を持ちます。反粒子についての理解は、素粒子物理学の対称性や保存則の議論に重要です。

観測と実験的証拠

クォークは単体で観測されないため、直接見ることはできませんが、散乱実験やハドロンの性質（質量、磁気モーメント、崩壊モードなど）を通じてその存在と性質が確かめられています。例えば、深い不透過散乱（DIS）実験や加速器でのハドロン生成・崩壊の測定により、ダウンクォークの分布や役割が解析されています。

まとめ（ポイント）

• ダウンクォークは基本的な構成要素：陽子や中性子などのハドロンを構成する主要なクォークの一つ。
• 電荷は -1/3 e、スピンは 1/2：フェルミオンであり、バリオンを作るときは3つで合計バリオン数1になる。
• 強い相互作用を受ける：グルーオンで結合され、単独では観測されない（色閉じ込み）。
• 弱い相互作用でフレーバー変換：ベータ崩壊などでアップクォークに変化し、原子核の崩壊過程に関わる。

質問と回答

Q:ダウンクォークとは何ですか?

Q: 2つのダウンクォークは同じ空間に同時に存在できますか?

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