ハドロン

素粒子物理学において、ハドロンは、強い核力によって結合された2つ以上のクォークからなる複合素粒子である。発音は/ ˈ h æ d r ɒ n /^ⓘ、その名前は古代ギリシャ語のἁδρός(hadrós)「頑丈な、厚い」に。これらは電磁力によって結合している分子。通常の物質質量陽子と中性子という2つのハドロンから来ており、陽子と中性子の質量の大部分は結合エネルギー。 

ハドロンは大きく2つのファミリーに分類されます。奇数個のクォーク（通常3個）からなるバリオンと、偶数個のクォーク（通常2個：1つのクォークと1つの反クォーク）からなるメソンです。 ^{[ 1 ]}陽子と中性子（原子の質量の大部分を占める）はバリオンの例であり、パイ中間子はメソンの例です。テトラクォーク状態（エキゾチックメソン）であるZ(4430) ⁻は、2007年にBelleコラボレーションによって発見され^{[ 2 ]} 、2014年にLHCbコラボレーションによって共鳴として確認されました。^{[ 3 ]} 2つのペンタクォーク状態（エキゾチックバリオン）であるP ⁺ _c (4380)とP ⁺ _c (4450)は、2015年にLHCbコラボレーションによって発見されました。^{[ 4 ]}他にもいくつかの「エキゾチック」なハドロン候補や、他のカラーシングレットクォークの組み合わせが存在する可能性がある。

ほぼすべての「自由」ハドロンと反ハドロン（つまり、孤立していて原子核内に束縛されていないもの）は不安定で、最終的には他の粒子に崩壊すると考えられています。唯一知られている例外は自由陽子で、安定しているか、少なくとも崩壊するのに膨大な時間（10³⁴^年 以上）かかります。比較のために、自由中性子は最も寿命の長い不安定粒子で、半減期は約611 秒、平均寿命は879 秒です^{[ a ] [ 5 ]}（自由中性子の崩壊を参照）。

ハドロン物理学は、陽子などのハドロン同士、または鉛（Pb）や金（Au）などの高密度で重い元素の原子核と衝突させ、生成された粒子シャワー中の残骸を検出することによって研究されます。同様のプロセスは自然環境、つまり極上層大気でも発生し、そこでは宇宙線が外層大気中の希薄なガス粒子と衝突することによってミューオンやパイ中間子などのメソンが生成されます。 ^{[ 6 ]}

「ハドロン」という用語は、1962年にCERNで開催された高エネルギー物理学国際会議の基調講演でLB Okunによって導入された新しいギリシャ語である。^{[ 7 ]}彼は講演の冒頭で、新しいカテゴリー用語の定義を示した。

この報告書は弱い相互作用を扱っているにもかかわらず、強い相互作用をする粒子について頻繁に言及する必要があるだろう。これらの粒子は数多くの科学的問題だけでなく、用語上の問題も引き起こす。要点は、「強い相互作用をする粒子」という用語が非常に扱いにくく、形容詞を形成するのに適さないということである。このため、一例を挙げると、強い相互作用をする粒子への崩壊は「非レプトン崩壊」と呼ばれる。この定義は正確ではない。「非レプトン崩壊」は光子崩壊を意味することもあるからである。この報告書では、強い相互作用をする粒子を「ハドロン」、対応する崩壊を「ハドロン崩壊」と呼ぶことにする（ギリシャ語のἁδρόςは「大きい」「質量が大きい」を意味し、λεπτόςは「小さい」「軽い」を意味する）。この用語が便利であることを願う。 — LB Okun (1962) ^{[ 7 ]}

クォークモデル^{[ 8 ]}によれば、ハドロンの性質は主にそのいわゆる価クォークによって決定されます。たとえば、陽子は2つのアップクォーク（それぞれが+ + 2 / 3 eを持ち、合計で+ 4 / 3 e）と1つのダウンクォーク（電荷は− + 1 / 3 e）で構成されています。これらを合計すると、陽子の電荷は+1 eになります。クォークは色電荷も持ちますが、ハドロンは色閉じ込めと呼ばれる現象のため、合計色電荷がゼロでなければなりません。つまり、ハドロンは「無色」または「白色」でなければなりません。これが起こる最も単純な方法は、1つの色のクォークとそれに対応する反色の反クォーク、または3つの異なる色のクォークを使用することです。最初の配置のハドロンは中間子の一種であり、2番目の配置のハドロンはバリオンの一種です。    

質量のない仮想グルーオンは、ハドロン内部の粒子の圧倒的大多数、およびその質量の主要構成要素を構成しています（重いチャームクォークとボトムクォークを除く。トップクォークはハドロンに結合する前に消滅します）。クォーク同士を結びつける強い力のグルーオンの強さは、質量のあるクォーク（m）からなる共鳴（E ≥ mc² ）を持つのに十分なエネルギー（ E ）を持っています。その結果、ハドロン内部では、短命な仮想クォークと反クォークのペアが絶えず生成と消滅を繰り返しています。仮想クォークは安定した波動パケット（^量子）ではなく、不規則で一時的な現象であるため、どのクォークが実在でどのクォークが仮想であるかを問うことは意味がありません。外部からハドロンという形で見えるのは、わずかな過剰分だけです。したがって、ハドロンまたは反ハドロンが（通常）2つまたは3つのクォークから構成されていると述べる場合、これは厳密には、クォークが反クォークよりも常に過剰であることを意味します。

すべての素粒子と同様に、ハドロンにはポアンカレ群の表現に対応する量子数J ^PC ( m )が割り当てられます。ここで、 Jはスピン量子数、P は固有パリティ (またはP-パリティ)、C は電荷共役 (またはC-パリティ)、mは粒子の質量です。ハドロンの質量は、その価クォークの質量とはほとんど関係がないことに注意してください。むしろ、質量とエネルギーの等価性により、質量の大部分は強い相互作用に関連する大量のエネルギーから生じます。ハドロンは、アイソスピン( G-パリティ) やストレンジネスなどのフレーバー量子数も持つことがあります。すべてのクォークは、バリオン数( B )と呼ばれる加算保存量子数を持ち、これはクォークの場合は+ + 1 / 3 ⁠ e 、反クォークの場合は− + 1 / 3 ⁠ eです。これは、バリオン（3個、5個、またはそれ以上の奇数個のクォークからなる複合粒子）は B = 1であり、メソンはB = 0であることを意味する。      

ハドロンは共鳴と呼ばれる励起状態を持つ。各基底状態のハドロンは複数の励起状態を持つ可能性があり、実験では数百種類の異なる共鳴が観測されている。共鳴は非常に速く（約100秒以内に）崩壊する。10 ⁻²⁴秒 ）強い核力によって。

物質の他の相では、ハドロンが消滅する可能性がある。たとえば、非常に高温高圧では、クォークのフレーバーが十分に多くない限り、量子色力学（QCD）理論は、クォークとグルーオンがハドロン内に閉じ込められなくなると予測している。「強い相互作用の強さはエネルギーとともに減少する」ためである。漸近的自由として知られるこの性質は、 1 GeV（ギガ電子ボルト）から1 TeV（テラ電子ボルト）のエネルギー範囲で実験的に確認されている。 ^{[ 9 ]}陽子​​と反陽子を除くすべての自由ハドロンは不安定である。  

バリオンは、奇数個の価クォーク（少なくとも3個）を含むハドロンです。^{[ 1 ]}陽子や中性子などの最もよく知られているバリオンは3個の価クォークを持ちますが、 5個のクォーク（異なる色の3個のクォークと、1つの余分なクォーク・反クォーク対）を持つペンタクォークも存在することが証明されています。バリオンは奇数個のクォークを持つため、すべてフェルミオンであり、つまり半整数スピンを持ちます。クォークはバリオン数B  = 1/3を持つため、バリオンはバリオン数B = 1を持ちます。余分なクォークと反クォークのバリオン数が相殺されるため、ペンタクォークもB = 1を持ちます。     

各バリオンには、クォークが対応する反クォークに置き換えられた反粒子（反バリオン）が存在する。例えば、陽子が2つのアップクォークと1つのダウンクォークから構成されているのと同様に、陽子の反粒子である反陽子は、2つのアップ反クォークと1つのダウン反クォークから構成されている。

2015年8月現在、既知のペンタクォークはP ⁺ _c (4380)とP ⁺ _c (4450)の2つで、どちらも2015年にLHCbコラボレーションによって発見された。^{[ 4 ]}

メソンは、偶数個の価クォーク（少なくとも2個）を含むハドロンです。^{[ 1 ]}よく知られているメソンのほとんどはクォークと反クォークのペアで構成されていますが、テトラクォーク（4つのクォーク）やヘキサクォーク（6つのクォーク、ダイバリオンまたは3つのクォークと反クォークのペアのいずれかで構成）が発見された可能性があり、その性質を確認するために調査されています。^{[ 10 ]}クォークモデルの分類に当てはまらない、他のいくつかの仮説的なエキゾチックメソンが存在する可能性があります。これらには、グルーボールやハイブリッドメソン（励起グルーオンによって束縛されたメソン）が含まれます。

メソンは偶数個のクォークを持つため、すべてボソンであり、スピンは整数、つまり 0 ħ、+1 ħ、または −1 ħ です。バリオン数は B = 1/3 − 1/3 = 0です。素粒子物理学の実験でよく生成されるメソンの例としては、パイ中間子とカオンがあります。パイ中間子は、残留強い力によって原子核を結合させる役割も果たしています。   

• Wiktionaryにおけるハドロンの辞書定義