クォーク（素粒子）

種類、電荷、反クォーク

クォークには、慣例的にフレーバーと呼ばれる6種類がある。これらは次の通りである。

• アップ（u）
• ダウン（d）
• ストレンジ（s）
• チャーム（c）
• トップ（t）
• ボトム（b）

各フレーバーは特徴的な分数電荷を持つ。アップ、チャーム、トップの電荷は陽子電荷の +2/3 であり、ダウン、ストレンジ、ボトムは −1/3 である。すべてのクォークには、電荷が反対向きの対応する反クォークが存在する。フレーバー、電荷、その他の量子数がクォークの種類を区別し、どの組み合わせが安定な粒子、あるいは短寿命の粒子を形づくれるかを決める。

クォークが物質を形づくる仕組み

クォークはグルーオンによって媒介される強い相互作用で結びつき、ハドロンをつくる。クォークをハドロン内部に保つ基本的な力は、しばしば強い核力と呼ばれる。ハドロンには主に2つの大きな系統がある。

• バリオン — 3個の価クォークから成り、陽子と中性子がその例である。
• メソン — 1個のクォークと1個の反クォークから成り、パイオンやカオンが例である。

地球上の通常の物質では、原子の安定な原子核に現れるのはアップクォークとダウンクォークだけである。陽子はアップ2個とダウン1個から成り、中性子はアップ1個とダウン2個から成る。ほかのフレーバーは高エネルギー過程で生成され、より軽いフレーバーへ速やかに崩壊する。

カラー電荷と閉じ込め

クォークは、視覚的な色とは無関係な「カラー電荷」と呼ばれる種類の電荷を持ち、一般に赤・緑・青の3種類に区別される。量子色力学（QCD）では、観測できる粒子はカラー中性でなければならないとされる（バリオンでは赤+緑+青、メソンではカラー+反カラーの組み合わせ）。QCDの重要な帰結の1つが閉じ込めである。クォーク同士を引き離そうとすると、その間の力は弱まるのではなく強まり、隔離された単独のクォークが得られる代わりに、新しいクォーク・反クォーク対が生まれる。これにより、自由なクォークが観測されないことや、高エネルギー衝突でクォークの相互作用がハドロンのジェットを生み出すことが説明される。

弱い相互作用とフレーバー変換

クォークは強い相互作用に加えて弱い力にも関与し、あるフレーバーを別のフレーバーへ変えることができる。弱い相互作用は荷電・中性の弱いボソンによって媒介され、クォークはWボソンまたはZボソンを交換するときに種類を変える。この仕組みはベータ崩壊のような放射性過程の基礎でもある。たとえば中性子内のダウンクォークは、W−ボソンを放出しながらアップクォークへ変わり、そのW−はさらに電子と電子反ニュートリノへ崩壊する。弱い相互作用にはニュートリノのような他の粒子も関与し、崩壊連鎖の中で陽電子や電子を生じることもある。たとえば特定の環境では、陽子が中性子へ変わりつつ陽電子とニュートリノを放出する場合があり（陽電子放出）、逆の過程が別の場所で起こることもある。

歴史的背景と発見

クォーク模型は、増え続けるハドロンの一覧を整理する方法として、1964年に物理学者マレー・ゲルマンとジョージ・ツワイクによって独立に提案された。陽子と中性子の内部に点状の構成要素があることを示す初期の実験的証拠は、1960年代後半の深部非弾性散乱実験から得られ、より小さな荷電成分の存在と一致するふるまいが観測された。続く1970年代には量子色力学が発展し、カラー電荷、閉じ込め、そしてエネルギーに応じて変化する強い結合定数を説明する量子場理論の枠組みが与えられた。

意義と現代的な重要性

クォークは、最小スケールでの物質理解の中心にある。クォークのふるまいの研究は、原子核物理学、高エネルギー衝突実験、そして初期宇宙がどのように進化したか、重元素が恒星過程でどのように形成されるかを含む宇宙論に影響を与える。日常の多くの技術はクォークの性質に直接依存しないが、クォークとグルーオンを探る加速器実験は、計測機器、計算、医用画像技術の発展を促してきた。現在も、クォーク質量、相互作用、そしてそれらを束縛するダイナミクスの測定精度を高める研究が続いている。また、標準模型を超える物理を探す試みでは、重いフレーバーを含む系における微妙な効果や、まれな崩壊過程がしばしば注目される。

関連する入門や参照項目としては、ハドロン、強い相互作用、弱い力、および粒子加速器の項目がある。