ハドロン

素粒子物理学において、ハドロン（/ ˈ h æ d r ɒ n / ^ⓘ ;古代ギリシャ語 の ἁδρός(hadrós) 「頑丈な、厚い」に由来) は、2 つ以上のクォーク強い相互作用で結合してできた複合亜原子粒子電気力で結合した分子に似ています物質の質量のほとんどは、2 つのハドロン(陽子と中性子)陽子と中性子の質量のほとんどは、それらを構成するクォークの強い力による 結合エネルギー

ハドロンは、奇数個のクォーク（通常は3個）で構成される重粒子と、偶数個のクォーク（通常は2個：クォーク1個と反クォーク1個）で構成される中間子の2つの大まかなファミリーに分類されます。 ^{[1]陽子と中性子（}原子の質量の大部分を占める）は重粒子の例であり、パイ中間子は中間子の例です。Z(4430) ^{−と呼ばれる}テトラクォーク状態（エキゾチック中間子）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 ^] P⁺
_は（4380）とP⁺
_は（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」ハドロン候補と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ります。

ほぼすべての「自由」ハドロンと反ハドロン（つまり、孤立しており、原子核内に束縛されていない）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。唯一の例外として知られているのは自由陽子で、安定しているように見えるか、少なくとも崩壊するのに非常に長い時間がかかります（10 ³⁴ 年以上）。比較すると、自由中性子は最も長寿命の不安定粒子であり、半減期は約 611 秒で崩壊し、平均寿命は 879 秒です^{[a] [5] 。}自由中性子の崩壊を参照してください。

ハドロン物理学は、陽子などのハドロンを互いに衝突させたり、鉛（Pb）や金（Au）などの高密度の重い元素の原子核と衝突させたりして、生成された粒子シャワーの破片を検出することによって研究されています。同様のプロセスが自然環境の極超高層大気でも発生し、そこでは宇宙線が外気圏の希薄なガス粒子と衝突して、ミューオンやパイオンなどの中間子が生成されます。 ^[6]

「ハドロン」という用語は、1962年に欧州原子核研究機構（CERN）で開催された高エネルギー物理学に関する国際会議の全体講演でLBオークンが導入した新しいギリシャ語です。^[7]彼は新しいカテゴリ用語の定義で講演を開始しました。

このレポートは弱い相互作用を扱っているにもかかわらず、強く相互作用する粒子について頻繁に話さなければならない。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、「強く相互作用する粒子」は形容詞を形成することができない非常に扱いにくい用語であるということである。この理由から、一例を挙げると、強く相互作用する粒子への崩壊は「非レプトン」と呼ばれる。この定義は正確ではない。なぜなら、「非レプトン」は光子を意味することもあるからである。このレポートでは、強く相互作用する粒子を「ハドロン」、対応する崩壊を「ハドロン」と呼ぶことにする（ギリシャ語のἁδρός は「大きい」、「重い」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期待する。— LB Okun (1962) ^[7]

クォークモデル^[8]によれば、ハドロンの特性は主にいわゆる価クォークによって決定される。例えば、陽子は2つのアップクォーク（それぞれ電荷 ++2 ⁄ 3（合計 + 4 ⁄ 3）と1つのダウンクォーク（電荷−+1 ⁄ 3）。これらを足し合わせると陽子の電荷は +1 になります。クォークも色電荷を持ちますが、色の閉じ込めと呼ばれる現象のため、ハドロンの総色電荷は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。これが起こる最も簡単な方法は、ある色のクォークとそれに対応する反色の反クォーク、または異なる色の 3 つ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重粒子の一種です。

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多数を構成し、またその質量の主要構成要素でもある（重いチャームクォークとボトムクォークは例外。トップクォークはハドロンに結合する前に消滅する）。クォークを結合する強い力を持つ グルーオンの強さは、質量の大きい（ m）クォークで構成される共鳴（E ≥ mc ² ）を起こすのに十分なエネルギー（ E ）を持っている。その結果、ハドロン内部では、寿命の短い仮想クォークと反クォークのペアが絶えず形成され、再び消滅している。仮想クォークは安定した波束（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し、どのクォークが仮想であるかを問うことは意味がなく、ハドロンの形で外部からわずかな余剰のみが明らかである。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 つのクォークで構成されていると述べられている場合、これは技術的にはクォークと反クォークの数が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が割り当てられています。J PC ( m ) 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、質量エネルギー等価性により、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。ハドロンには、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含まれる場合があります。すべてのクォークには、重粒子数( B )と呼ばれる加法的に保存される量子数があり、これは+ +クォークの場合は1 ⁄ 3、+反クォークの場合は1 ⁄ 3です。これは、重粒子 (3 個、5 個、またはそれ以上の奇数のクォークからなる複合粒子) では B  = 1 であるのに対し、中間子ではB  = 0 であることを意味します。

ハドロンには共鳴と呼ばれる励起状態があります。基底状態のハドロンにはそれぞれ複数の励起状態があり、実験では数百種類の共鳴が観測されています。共鳴は強い核力によって極めて急速に（約 10 ⁻²⁴秒以内に）減衰します。  

物質の他の相では、ハドロンが消えることがある。例えば、非常に高温高圧の状態で、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) の理論では、クォークとグルーオンはハドロン内に閉じ込められなくなると予測されている。「強い相互作用の強さはエネルギーとともに減少するから」である。漸近的自由として知られるこの特性は、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(おそらく)を除くすべての自由ハドロンは不安定である。

重粒子は、奇数個（少なくとも 3 個）の価クォーク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重粒子は3 個の価クォークを持っていますが、 5 個のクォークを持つペンタクォーク（3 個の異なる色のクォークと 1 個の余分なクォーク-反クォーク対）も存在することが証明されています。重粒子は奇数のクォークを持っているため、それらはすべてフェルミオンでもあります。つまり、スピンは半整数です。クォークは重粒子数B  =  1 ⁄ 3を持つため、重粒子 数はB  = 1 です。ペンタクォークもB = 1です 。これは、余分なクォークと反クォークの重粒子数が打ち消されるためです。

それぞれの種類の重粒子には、対応する反粒子（反重粒子）があり、反粒子では、クォークが対応する反クォークに置き換えられます。たとえば、陽子が 2 つのアップ クォークと 1 つのダウン クォークで構成されているのと同様に、対応する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 反クォークで構成します。

2015年8月現在、2つのペンタクォーク、Pが知られている。⁺
_は（4380）とP⁺
_は（4450）は、どちらも2015年にLHCb共同研究によって発見されました。^[4]

中間子は偶数個（少なくとも2個）の価クォークを含むハドロンである。^[1]最もよく知られている中間子はクォーク-反クォーク対から構成されているが、テトラクォーク（4個のクォーク）やヘキサクォーク（6個のクォーク、ダイバリオンまたは3個のクォーク-反クォーク対から構成）も発見されており、その性質を確認するために調査が行われている。^[10]クォークモデルの分類に当てはまらない、他の仮説上のエキゾチック中間子の種類もいくつか存在する可能性がある。これらには、グルーボールやハイブリッド中間子（励起されたグルーオンによって結合された中間子）が含まれる。

中間子は偶数のクォークを持つため、すべてボソンでもあり、スピンは整数、つまり0、+1、または -1 です。中間子の重粒子数はB = ⁠ 1/3⁠ − ⁠1/3⁠ = 0。素粒子物理学の実験で一般的に生成される中間子の例には、パイ中間子とカオンが残留強い力を介して原子核をまとめる役割も果たします。

• ウィクショナリーのハドロンの定義