バリオン数

素粒子物理学において、重粒子数とは、システムの厳密に保存される加法的な量子数です。重粒子数は、次のように定義されます 。 ここで、⁠ ⁠はクォークの数、⁠ ⁠は反クォークの数です。重粒子(3 つのクォーク) の重粒子数は +1、中間子(1 つのクォークと 1 つの反クォーク) の重粒子数は 0、反重粒子 (3 つの反クォーク) の重粒子数は -1 です。ペンタクォーク(4 つのクォークと 1 つの反クォーク) やテトラクォーク (2 つのクォークと 2 つの反クォーク)などのエキゾチックハドロンも、重粒子数に応じて重粒子と中間子に分類されます。 $${\displaystyle B={\frac {1}{3}}(n_{\text{q}}-n_{\rm {\overline {q}}}),}$$${\displaystyle n_{\rm {q}}}$${\displaystyle n_{\rm {\overline {q}}}}$

クォークは電荷だけでなく、色電荷や弱いアイソスピンなどの電荷も運びます。色閉じ込めと呼ばれる現象のため、ハドロンは正味の色電荷を持つことができません。つまり、粒子の合計色電荷はゼロ（「白」）でなければなりません。クォークは「赤」、「緑」、「青」と呼ばれる3つの「色」のいずれかを持ちます。一方、反クォークは「反赤」、「反緑」、「反青」のいずれかになります。^[1]

通常のハドロンの場合、白色は次の 3 つの方法のいずれかで実現できます。

• ある色のクォークとそれに対応する反色の反クォークが結合して、重粒子数0の中間子が生成される。
• 異なる色の3つのクォークは、重粒子数+1の重粒子を生成する。
• 異なる反色を持つ 3 つの反クォークから、重粒子数 -1 の反重粒子が生成されます。

重粒子数はクォークモデルが確立されるずっと前に定義されたため、定義を変更するのではなく、素粒子物理学者はクォークに重粒子数の 3 分の 1 を割り当てました。今日では、クォーク数の保存について話す方が正確かもしれません。

理論上は、クォークと反クォークのペアを追加することでエキゾチックハドロンを形成できます。ただし、各ペアの色と反色が一致している必要があります。たとえば、ペンタクォーク（クォーク4個、反クォーク1個）は、赤、緑、青、青、反青という個別のクォーク色を持つことができます。2015年、 CERNのLHCbコラボレーションは、ボトムラムダバリオン（Λ⁰
_ビット）。^[2]

クォークを持たない粒子は重粒子数がゼロである。そのような粒子は

• レプトン–電子、ミューオン、タウオン、およびそれらに対応するニュートリノ
• ベクトルボソン-光子、WボソンとZボソン、グルーオン
• スカラー粒子–ヒッグス粒子
• 2次テンソル粒子– 仮説上の重力子

標準モデルのすべての相互作用において、重粒子数は保存されるが、1つの例外がある可能性がある。この保存は、QCDラグランジアンの大域的対称性によるものである。^[3]「保存される」とは、すべての入射粒子の重粒子数の合計が、反応から生じるすべての粒子の重粒子数の合計と同じであることを意味する。唯一の例外は、電弱相互作用における仮説上のアドラー・ベル・ジャッキウ異常である。^[4]しかし、スファレロンはそれほど一般的ではなく、高エネルギーおよび高温レベルで発生する可能性があり、電弱バリオン生成およびレプトン生成を説明できる。電弱スファレロンは、重粒子および/またはレプトンの数を3または3の倍数だけ変更することができる（3つの重粒子が3つのレプトン/反レプトンに衝突し、その逆も起こる）。スファレロンの実験的証拠はまだ観測されていない。 ${\displaystyle U(1)_{V}}$

大統一理論（GUT）モデルと超対称性の仮説的概念は、重粒子がレプトン と反クォークに変化することを可能にし（ B − Lを参照）、重粒子数とレプトン数の両方の保存則に違反する。^[5] 陽子崩壊はそのようなプロセスが起こっている例であるが、これまで観測されたことはない。

重粒子数の保存則は、ホーキング放射によるブラックホールの蒸発の物理とは矛盾する。^[6]一般に、量子重力効果は、グローバル対称性に関連するすべての電荷の保存則に違反することが予想される。^[7]重粒子数の保存則の違反は、ジョン・アーチボルド・ウィーラーがすべての物理的性質の可変性の原理について推測するきっかけとなった。^[8]