ハドロン：クォークからなる複合粒子と強い相互作用

構造と性質

クォークには6種類のフレーバーがあり、分数の電荷をもつ。電荷は通常、陽子の電荷を単位として+2/3または−1/3である。クォークが結合すると分数電荷が加算され、ハドロン全体としては整数の電荷となる。たとえば中性子は、電荷の和がゼロとなるクォークから構成される。クォークはグルーオンが媒介する強い相互作用によって結び付けられ、カラー荷と呼ばれる量子性質ももつ。閉じ込めにより、孤立したクォークは観測されず、カラー中性の組合せの内部でのみ現れる。多くのハドロンの質量は、裸のクォーク質量よりも、クォークを閉じ込める強い力のエネルギーから主として生じる。

分類と代表例

ハドロンは伝統的に、二つの主要なグループに分けられる。

• バリオン：3個のクォークからなる粒子であり、反バリオンは3個の反クォークからなる。原子核をつくる陽子と中性子がよく知られた例である。
• 中間子：1個のクォークと1個の反クォークからなる。パイ中間子やK中間子はその例で、核力や粒子崩壊で重要な役割を果たす。

これらに加えて、実験ではテトラクォークやペンタクォークなどのエキゾチック状態、ならびにグルーオンの束縛状態であるグルーボールの候補も確認されている。すべてのハドロンは強い核力を通じて相互作用し、この力は短距離における内部力学を支配する。

歴史と発展

ハドロンの概念は、粒子加速器によって強い相互作用をする粒子が次々と発見された20世紀半ばに生まれた。1960年代に提案されたクォーク模型は、少数のクォーク・フレーバーと量子数の組合せによって説明される規則性へと、観測されたハドロンを整理した。この分類は後に、クォーク、グルーオン、およびそれらの相互作用を記述する現代の標準模型に組み込まれた。以後、衝突型加速器や固定標的実験のプログラムにより、ハドロンのスペクトルは精密化され、多数の共鳴状態が発見されてきた。

用途、重要性と現在の研究

ハドロンは核物理学、天体物理学、素粒子物理学の中心的な対象である。陽子と中性子は原子核を構成し、中間子は残留核力を媒介するとともに粒子崩壊にも現れる。ハドロン反応は、基本相互作用を探るために研究される。大型ハドロン衝突型加速器などの高エネルギー加速器は、強い力の理論である量子色力学（QCD）の研究や新現象の探索のため、ハドロンを生成する。形状因子、パートン分布、質量の起源を含むハドロン構造の研究は、現在も活発に進められている。

主な相違点と事実

ハドロンは複合粒子で強い相互作用を受ける点で、電子のようなレプトンや光子のようなゲージボソンとは異なる。一部のハドロンは通常の物質中で非常に安定しており、陽子は観測上の時間尺度では事実上安定である。一方、他のものは短寿命の共鳴状態であり、速やかにより軽い粒子へ崩壊する。ハドロン分光学は、理論模型に課題を与え、その洗練を促す予想外の状態を引き続き明らかにしている。

個別の粒子や実験結果については、利用可能な追加資料と要約を参照されたい：原子と原子核、反粒子、電荷の量子化、標準模型、バリオン、中間子、強い核力。