核子

物理学と化学において、核子は陽子または中性子のいずれかであり、原子核の構成要素としての役割で考えられています。原子核内の核子の数は、原子の質量数（核子数）を定義します。

1960 年代まで、核子は小さな部分で構成されたものではなく、素粒子であると考えられていました。現在では、核子は3 つのクォークが強い相互作用で結合した複合粒子であると理解されています。2 つ以上の核子間の相互作用は、核子間相互作用または核力と呼ばれ、これも最終的には強い相互作用によって引き起こされます。(クォークが発見される前は、「強い相互作用」という用語は、単に核子間相互作用を指していました。)

核子は、素粒子物理学と原子核物理学が重なり合う境界に位置します。素粒子物理学、特に量子色力学は、クォークと強い相互作用の特性を表す基本方程式を提供します。これらの方程式は、クォークがどのようにして陽子と中性子（および他のすべてのハドロン）に結合するかを定量的に表します。しかし、複数の核子が原子核（核種）に組み立てられると、これらの基本方程式を直接解くのは非常に難しくなります（格子QCDを参照）。代わりに、核種は原子核物理学の範囲内で研究され、核子とその相互作用は、原子核殻モデルなどの近似とモデルによって研究されます。これらのモデルは、たとえば特定の核種が放射性崩壊を起こすかどうかなど、核種の特性をうまく説明できます。

陽子と中性子は、フェルミオン、ハドロン、重粒子というカテゴリに同時に属します。陽子は正の正味電荷を持ち、中性子はゼロの正味電荷を持ちます。陽子の質量は中性子の質量よりわずか 0.13% ほど小さいだけです。したがって、これらは同じ核子の 2 つの状態と見なすことができ、一緒にアイソスピン二重項 ( I = ⁠1/2⁠ ）。アイソスピン空間では、 SU(2)対称性により中性子は陽子に変換され、その逆も可能である。これらの核子は、アイソスピン空間での回転に対して不変である強い相互作用によって等しく作用される。ノイマンの定理によれば、アイソスピンは強い相互作用に関して保存される。 ^{[1] : 129–130}

陽子と中性子は、原子核の構成要素である核子としての役割で最もよく知られていますが、自由粒子としても存在します。自由中性子は不安定で、半減期は約 13 分ですが、重要な用途があります (中性子放射と中性子散乱を参照)。他の核子に結合していない陽子は、電子と結合している場合は水素原子の核であり、何にも結合していない場合はイオンまたは宇宙線 です。

陽子と中性子はどちらも複合粒子であり、それぞれがより小さな部分、つまりそれぞれ3つのクォークで構成されていることを意味します。かつてはそう考えられていましたが、どちらも素粒子ではありません。陽子は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、中性子は1つのアップクォークと2つのダウンクォークで構成されています。クォークは強い力、または同等に、クォークレベルで強い力を媒介する グルーオンによって結合されています。

アップクォークは電荷を持っている ⁠++2/3⁠  e、ダウンクォークは電荷を持ちます⁠−+1/3⁠  eなので、陽子と中性子の電荷の合計はそれぞれ + eと 0 です。^[a]したがって、中性子の電荷は 0 (ゼロ) なので、電気的に中性です。実際、「中性子」という用語は、中性子が電気的に中性であるという事実に由来しています。

陽子と中性子の質量は似ています。陽子の場合、1.6726 × 10 ⁻²⁷  kg (938.27  MeV/ c ²）、中性子の場合は1.6749 × 10 ⁻²⁷  kg (939.57  MeV/ c ² ) 、中性子はおよそ0.13%重い。質量の類似性は、核子を構成するアップクォークとダウンクォークの質量のわずかな違いによって大まかに説明できる。しかし、詳細な説明は素粒子物理学の未解決の問題である。^{[1] : 135–136}

核子のスピンは⁠1/2つまり、それらはフェルミオンであり、電子と同様にパウリの排他原理に従います。つまり、例えば原子核内では、1つの核子しか同じ量子状態を占めることができません。

核子のアイソスピン量子数とスピン量子数はそれぞれ 2 つの状態を持ち、合計 4 つの組み合わせになります。アルファ粒子は4つの組み合わせすべてを占める 4 つの核子で構成され、つまり 2 つの陽子 (反対のスピンを持つ) と 2 つの中性子 (これも反対のスピンを持つ)を持ち、その正味の核スピンは 0 です。より大きな原子核では、構成核子はパウリの排他律により相対運動を強いられ、これが軌道量子数を介して核スピンに寄与することもあります。それらは、化学で知られている 電子殻に類似した核殻に広がっています。

陽子と中性子はどちらも磁気モーメントを持っていますが、核子の磁気モーメントは異常であり、1930年代に発見されたときには予想外のものでした。陽子の磁気モーメント（記号μ _{p ）}は、2.79  μ _{N で}あるのに対し、陽子がディラック素粒子であれば、その磁気モーメントは1.0  μ _N。ここで磁気モーメントの単位は原子磁気子（記号μ _{N ）}で、原子スケールの測定単位です。中性子の磁気モーメントはμ _n =−1.91  μ _Nですが、中性子は電荷を持っていないので、磁気モーメントを持たないはずです。中性子の磁気モーメントの値は、モーメントの方向が中性子のスピンと反対であるため、負です。核子の磁気モーメントは、核子のクォーク下部構造から生じます。^{[2] [3]陽子の磁気モーメントは、} NMR / MRIスキャン に利用されています。

自由状態の中性子は不安定な粒子であり、半減期は約10分である。
β⁻
陽子は電子と電子反ニュートリノを放出しながら陽子に変化して崩壊します(放射性崩壊の一種) 。この反応は、中性子の質量が陽子の質量よりわずかに大きいために起こります。(中性子崩壊の詳細については、中性子の記事を参照してください。) 陽子自体は安定していると考えられています。少なくともその寿命は測定できないほど長いです。これは素粒子物理学における重要な議論です (陽子崩壊を参照)。

一方、原子核内部では、結合した陽子と中性子（核子）は、核種または核種によって安定または不安定になります。一部の核種では、中性子が陽子に変化して他の粒子を生成することがあります。また、他の核種ではその逆のことが起こり、陽子が中性子に変化して他の粒子を生成することがあります。
β⁺
崩壊または電子捕獲です。さらに他の核種の内部では、陽子と中性子は両方とも安定しており、形を変えません。

両方の核子には対応する反粒子、つまり反陽子と反中性子があり、それぞれ陽子と中性子と同じ質量と反対の電荷を持ち、同じように相互作用します。（これは、 CPT対称性により、一般的にはまったくその通りであると信じられています。違いがあったとしても、これまでのすべての実験で測定するには小さすぎます。）特に、反核子は「反核」に結合することができます。これまでに、科学者は反重水素^{[4] [5]}と反ヘリウム3 ^{[6] の}核を作り出しました。

^a 陽子と中性子の質量は、定義方法により、  MeV/ c ²よりもダルトン(Da) で表した方がはるかに正確に知られています。使用される変換係数は 1 Da =931.494 028 (23) MeV/ c ² .

^b 少なくとも10 ³⁵年。陽子崩壊を参照。

^c自由中性子 の場合; ほとんどの一般的な原子核では、中性子は安定しています。

反粒子の質量は同一であると仮定されており、これまでのところこれを反証する実験はない。現在の実験では、陽子と反陽子の質量の相対的な差は、2 × 10 ^{−9 [PDG 1]}であり、中性子と反中性子の質量の差は(9 ± 6) × 10 ⁻⁵  MeV/ c ²。^{[PDG 2]}

核子共鳴は、核子粒子の励起状態であり、多くの場合、スピン状態が反転したクォークの 1 つ、または粒子が崩壊するときに異なる軌道角運動量を持つクォークの 1 つに対応します。この表には、粒子データ グループ(PDG)で 3 つ星または 4 つ星の評価を受けた共鳴のみが含まれています。これらの粒子の寿命は非常に短いため、多くの特性がまだ調査中です。

記号の形式は N( m ) L _IJで表され、ここでmは粒子のおおよその質量、Lは崩壊時に生成される核子-中間子対の軌道角運動量（分光学的表記）、 IとJ はそれぞれ粒子のアイソスピンおよび全角運動量である。核子は⁠1/2⁠アイソスピンの場合、最初の数字は常に 1 で、2 番目の数字は常に奇数になります。核子共鳴について議論する場合、N が省略され、順序が逆になってL _IJ ( m ) という形式になることがあります。たとえば、陽子は「N(939) S ₁₁」または「S ₁₁ (939)」 と表記されます。

以下の表は基本共鳴のみをリストしています。各エントリは4つ の重粒子、2つの核子共鳴粒子とその2つの反粒子を表しています。各共鳴は正電荷（Q ）の形で存在し、クォーク構成は
あなた

あなた

d
陽子のような中性粒子と、クォーク構成の
あなた

d

d
中性子のような、また反クォーク組成を持つ対応する反粒子も
あなた

あなた

d
そして
あなた

d

d
それぞれストレンジ、チャーム、ボトム、トップクォークを含まないため、これらの粒子はストレンジネスなどを 持ちません。

表にはアイソスピンを持つ共鳴のみが記載されている= ⁠1/2⁠ .アイソスピン= ⁠との共鳴の場合3/2⁠、デルタ重粒子に関する記事を参照してください。

† P _{11 （939）核子は、通常の陽子または中性子の励起状態を表します。このような粒子は、例えば}リチウム6などの原子核内にあるときは安定している可能性があります。^[7]

SU(2)フレーバーのクォークモデルでは、2 つの核子は基底状態の二重項の一部です。陽子のクォーク含有量はuud、中性子のクォーク含有量はudd です。SU (3)フレーバーでは、これらはスピンの基底状態オクテット ( 8 )の一部です- ⁠ 1/2⁠ 重粒子、八重の道として知られています。この八重の道の他のメンバーは、ハイペロン、 ストレンジ アイソトリプレットです。
Σ⁺
、
Σ⁰
、
Σ⁻
、
Λ
そして奇妙なアイソダブレット
Ξ⁰
、
Ξ⁻
この多重項をSU(4)フレーバー（チャームクォークを含む）で基底状態の20 -多重項まで拡張することも、SU(6)フレーバー（トップクォークとボトムクォークを含む）で基底状態の56 -多重項まで拡張することもできます。

アイソスピンに関する記事では、クォークのフレーバーの固有状態の観点から核子の波動関数を明示的に表現しています。

核子が3つのクォークから構成されていることはわかっていますが、2006年現在、量子色力学の運動方程式^{[アップデート]}を解く方法はわかっていません。したがって、核子の低エネルギー特性の研究はモデルによって行われます。利用可能な唯一の第一原理アプローチは、格子QCDを使用してQCDの方程式を数値的に解くことです。これには複雑なアルゴリズムと非常に強力なスーパーコンピュータが必要です。ただし、いくつかの分析モデルも存在します。

スキルミオンは、核子を非線形SU(2)パイオン場における位相的ソリトンとしてモデル化する。スキルミオンの位相的安定性は、重粒子数の保存、すなわち核子の非崩壊として解釈される。局所的位相的巻数密度は、核子の局所的重粒子数密度と同一視される。パイオンアイソスピンベクトル場がヘッジホッグ空間の形状に配向されているため、モデルは容易に解くことができ、そのためヘッジホッグモデルと呼ばれることもある。ヘッジホッグモデルは、核子の質量、半径、軸結合定数などの低エネルギーパラメータを、実験値の約 30% の精度で予測することができる。

MITバッグモデル^{[8] [9] [10]は、量子}色力学を通じて相互作用するクォークとグルーオンを、クォークとグルーオンによって及ぼされる圧力と、真空によってすべての色の量子場に及ぼされる仮想的な圧力とのバランスによって決定される空間領域に閉じ込めます。このモデルの最も単純な近似では、相互作用しない3つのクォークを球状の空洞に閉じ込め、境界条件としてクォークベクトルカレントが境界で消滅します。クォークの非相互作用の扱いは漸近的自由の考え方に訴えることで正当化されますが、ハード境界条件はクォークの閉じ込めによって正当化されます。

数学的には、このモデルはレーダー空洞のモデルに似ており、ディラック方程式の解がマクスウェル方程式の解に、ベクトル電流の消失境界条件がレーダー空洞の導電性金属壁に相当する。バッグの半径が核子の半径に設定されている場合、バッグモデルは実際の質量の 30% 以内の核子質量を予測する。

基本的なバッグモデルはパイ中間子を介した相互作用を提供しないが、 P行列を用いた6クォークバッグsチャネル機構を介した核子間力を非常によく記述する。^{[11] [12]}

カイラルバッグモデル^{[13] [14]は}MITバッグモデルとスキルミオンモデルを融合したものである。このモデルでは、スキルミオンの中央に穴を開け、バッグモデルに置き換えている。境界条件は、バッグ境界を横切る軸ベクトル電流の連続性という要件によって規定される。

非常に興味深いことに、スキルミオンに開けられた穴の位相的巻き数（重粒子数）の失われた部分は、バッグ内のクォーク場の非ゼロの真空期待値（またはスペクトル非対称性）によって正確に補われます。2017年現在、演算子の位相とスペクトルの^{[アップデート]}間のこの注目すべきトレードオフは、ヒルベルト空間の数学的理論と幾何学との関係において根拠も説明もありません。

カイラルバッグには、他にも注目すべき特性がいくつかあります。カイラルバッグは、低エネルギー核子の特性に 5～10% 以内でよりよく適合し、半径が核子半径より小さい限り、カイラルバッグ半径にはほとんど依存しません。この半径に依存しない性質は、ルイス・キャロルのチェシャ猫が笑顔だけに消えていくことにちなんで、チェシャ猫原理^[15]と呼ばれています。QCD 方程式の第一原理解は、クォークと中間子の記述の同様の二重性を示すことが期待されています。

• ハドロン
• 電弱相互作用

• Thomas, AW; Weise, W. (2001).核子の構造ベルリン、ドイツ: Wiley-WCH. ISBN 3-527-40297-7。
• Brown, G.E.; Jackson, AD (1976).核子-核子相互作用. North-Holland Publishing . ISBN 978-0-7204-0335-0。
• Nakamura, N.; Particle Data Group ; et al. (2011). 「Review of Particle Physics」. Journal of Physics G. 37 ( 7): 075021. Bibcode :2010JPhG...37g5021N. doi : 10.1088/0954-3899/37/7A/075021 . hdl : 10481/34593 .