素粒子
物理学では、素粒子や基本粒子とは、他の粒子でできていない粒子のことをいいます。
素粒子は、フェルミオンとボソンの2つのグループに分類されます。フェルミオンは物質の構成要素であり、質量を持ちますが、ボソンはフェルミオン相互作用のための力のキャリアとして振る舞い、質量を持たないものもあります。標準モデルは、粒子がどのように振る舞うか、また、粒子に影響を与える力を説明するための最も一般的な方法です。このモデルでは、素粒子はさらにクォーク、レプトン、ゲージボゾンに分類され、ヒッグス粒子は非ゲージボゾンとして特別な地位を占めています。
原子を構成する粒子のうち、電子だけが素粒子です。陽子と中性子はそれぞれ3つのクォークでできていて、他の粒子が集まってできた複合粒子です。クォークはグルオンによって結合しています。原子核にはボソンパイオン場があり、陽子と中性子を束ねる強い核の力が陽子と中性子の間の静電反発に対抗しています。このような仮想パイ中間子は、クォーク反クォーク対で構成されており、再びグルーオンによって結合しています。
素粒子を表す基本的な性質は3つあります。質量」、「電荷」、「スピン」です。それぞれの性質には数値が割り当てられています。質量と電荷については，数値は0にすることができます。例えば，光子は質量が0で，ニュートリノは電荷が0です。素粒子の場合、これらの性質は常に同じです。
- 質量。粒子の速度を上げるため、または加速するためにエネルギーを必要とする場合、粒子には質量があります。右の表は、各素粒子の質量を示しています。この値は、MeV/c2s（「c」の2乗でメガエレクトロンボルトと発音します）、つまり光速の2乗に対するエネルギーの単位で示されています。これは特殊相対性理論から来ており、エネルギーは質量の光速の二乗に等しいことを教えてくれます。質量を持つすべての粒子は重力を生み出します。すべての粒子は重力の影響を受けますが、光子のように質量のない粒子でも重力の影響を受けます（一般相対性理論を参照）。
- 電荷。粒子は正の電荷を持っている場合と、負の電荷を持っている場合と、持っていない場合がある。一方の粒子が負の電荷を持ち、もう一方の粒子が正の電荷を持つ場合、2つの粒子はお互いに引き付けられています。2つの粒子が両方とも負の電荷を持っている場合、または両方とも正の電荷を持っている場合、2つの粒子は押し離されます。近距離では、この力は、すべての粒子を一緒に引っ張る重力よりもはるかに強い。電子は-1の電荷を持ち、陽子は+1の電荷を持ちます。中性子の平均電荷は0で、通常のクォークの電荷は⅔または-salescapeNo.2153の電荷を持っています。
- スピン：粒子の角運動量や一定の自転は、そのスピン数と呼ばれる特定の値を持っています。素粒子のスピンは1または1/2である。粒子のスピン特性は、角運動量の存在を示すだけである。実際には、粒子はスピンしていない。
重力や電気は人間が見たり触ったりするものに影響を与えるので、質量や電荷は日常生活の中で目にする性質です。しかし、スピンは素粒子の世界にしか影響を与えないので、直接観測することはできません。
素粒子の標準モデル。 1 GeV/c2 = 1.783×10-27 kg。1 MeV/c2 = 1.783×10-30 kg。
フェルミオン
フェルミ粒子（科学者エンリコ・フェルミにちなんで命名）は、スピン数が1/2で、クォークかレプトンのどちらかである。フェルミオンには12種類のタイプがあります（反物質は含まれていません）。それぞれのタイプは「フレーバー」と呼ばれています。フレーバーは以下の通りです。
- クォーク：上、下、魅力、不思議、上、下クォークには、「世代」と呼ばれる3つのペアがあります。第一世代(上下)が最も軽く、第三世代(上と下)が最も重い。それぞれのペアの片方のメンバー（アップ、チャーム、トップ）は⅔ の電荷を持っています。もう一人のメンバー（下・変・下）は電荷を持っています。
- レプトン：電子，ミューオン，タウ，電子ニュートリノ，ミューニュートリノ，タウニュートリノ。ニュートリノは電荷0であり，それゆえに接頭辞はneutr-である。他のレプトンは電荷-1を持ち，それぞれのニュートリノは対応する元のレプトン（電子，ミューオン，タウオン）にちなんで名付けられています。
12個のフェルミオンのうち，上下のクォーク，電子，3種類のニュートリノ（常に味が入れ替わる）の6個は永遠に続くと考えられています。他のフェルミオンは崩壊します。つまり，生成されてから数秒後に他の粒子に分解してしまうのです。フェルミディラック統計学は，フェルミ粒子の集まりがどのように振る舞うかを説明する理論です。基本的には、同じ場所に同時に複数のフェルミオンを持つことはできません。
ボソン
ボソンは、インドの物理学者サティエンドラ・ナート・ボースにちなんで名付けられたもので、スピンが1で、ほとんどのボソンは複数の粒子でできていますが、素粒子ボソンには2種類あります。
- ゲージボゾン：グルオン、W+とW-ボゾン、Z0ボゾン、光子。これらのボゾンは4つの基本力のうち3つを持ち、スピン数は1である。
- グルオンです。グルーオンは無質量で電荷を持たない粒子であり、強い力の相互作用の担い手である。グルーオンはクォークと結合してハドロンと呼ばれる複合粒子を作り、陽子と中性子を含む。
- WボゾンとZボゾンWボゾンとZボゾンは弱い力を運ぶ粒子である。Wボゾンは物質粒子(W+)と反物質粒子(W-)を持ち、Zボゾンはそれ自身が反粒子である。Wボゾンはベータ崩壊で生成されますが、ほとんどすぐにニュートリノと電子になります。WボゾンとZボゾンは1983年に発見された。
- フォトン光子は、電磁力を運ぶ無質量で無電荷の粒子である。フォトンは、それらがどのような電磁放射であるかを決定する特定の周波数を持つことができます。他のすべての無質量粒子と同様に、光速（30万km/s）で移動します。
- ヒッグス粒子。物理学者は、ヒッグス粒子との相互作用により、質量を持つ粒子（光子のような純粋なエネルギーの束ではない）と考えています。
フォトンとグルーオンは電荷を持たず、質量が確実に0になる唯一の素粒子です。フォトンは崩壊しない唯一のボゾンである。ボーズ-アインシュタイン統計学は、ボーズンの集まりがどのような振る舞いをするかを説明する理論である。フェルミオンとは異なり、同じ空間に同時に複数のボゾンが存在することが可能である。
標準モデルには、上述の素粒子のすべてが含まれています。これらの粒子はすべて実験室で観測されています。
標準モデルでは重力については語られていません。もし重力が他の3つの基本的な力と同じように働くのであれば、重力は重力子と呼ばれる仮想的なボゾンによって運ばれていることになります。重力子はまだ発見されていないので、上の表には含まれていない。
最初に発見されたフェルミオン、そして私たちが最もよく知っているのは電子です。最初に発見されたボソンは、私たちが最もよく知っている光子です。電子、光子、電磁気、電磁放射がどのように相互に作用するかを最も正確に説明する理論は、量子電気力学と呼ばれています。
質問と回答
Q:素粒子とは何ですか?
A:素粒子とは、他の粒子で構成されていない粒子のことです。
Q:素粒子はいくつのグループに属しますか?
A:素粒子は、フェルミ粒子とボゾンの2つのグループのいずれかになります。
Q:「標準模型」とは何ですか?
A: 標準模型は、粒子がどのように振る舞い、どのような力が粒子に影響を与えるかを説明する最も一般的な方法です。
Q:標準模型では、素粒子はどのように分類されるのですか?
A:標準模型では、素粒子はさらにクォーク、レプトン、ゲージボソンに分類され、ヒッグス粒子はゲージボソンでない特別な存在とされています。
Q:陽子や中性子も素粒子なのですか?
A:いいえ。陽子と中性子はそれぞれ3つのクォークから構成されており、他の小さな粒子から構成される複合粒子であるため、素粒子とはみなされていません。
Q:素粒子にはどのような性質があるのですか?
A: 質量、電荷、スピンの3つの基本的な性質があり、それぞれの性質に数値が割り当てられています。
Q:重力は、光子のような質量を持たない粒子にも影響を与えるのですか?
A:はい、一般相対性理論により、光子のような質量を持たない粒子も含めて全ての種類の粒子が重力を経験します。
