量子色力学結合エネルギー

量子色力学結合エネルギー（QCD結合エネルギー）、グルーオン結合エネルギー、または色力学結合エネルギーは、クォークをハドロンに結合するエネルギーです。これは、グルーオンによって媒介される強い力の場のエネルギーです。運動エネルギーと相互作用エネルギーがハドロンの質量の大部分を占めます。^[1]

ハドロンの質量のほとんどは、質量エネルギー等価性を通じて、実際にはQCD結合エネルギーです。この現象は、カイラル対称性の破れに関連しています。核子(陽子と中性子)の場合、QCD 結合エネルギーは核子の質量の約 99% を占めます。

光速に近い速度で運動するハドロン構成要素の運動エネルギーはハドロンの質量に大きく寄与する。^{[1]それ以外の残りの大部分は実際のQCD結合エネルギーであり、QCD}ラグランジアンにおけるポテンシャルのような項から複雑な形で現れる。

陽子の場合、 3つの価クォーク（2つのアップクォークと1つのダウンクォーク）の静止質量の合計はおよそ9.4  MeV/ c ²、陽子の全質量は約938.3 MeV/ c ² 。標準モデルでは、この「クォークの現在の質量」は名目上はヒッグス相互作用に起因する。中性子の場合、3つの価クォーク（2つのダウンクォークと1つのアップクォーク）の静止質量の合計はおよそ11.9 MeV/ c ²、中性子の全質量は約939.6 MeV/ c ² 。原子の質量のほぼすべてが核子に集中していることを考えると、これは日常の物質（バリオン物質）の質量の約99％が実際には色力学的結合エネルギーであることを意味します。

グルーオンは質量がないが、それでもエネルギー（色力学的結合エネルギー）を持っている。この点で、グルーオンは、同じく質量がなくエネルギー（光子エネルギー）を運ぶ粒子である光子に似ている。単一グルーオンあたりのエネルギー量、すなわち「グルーオンエネルギー」は直接測定できないが、深非弾性散乱（DIS）実験から分布を推測することはできる（古いが今でも有効な紹介については文献 [4] を参照）。定量化可能で、プランク-アインシュタインの関係式で記述され、単一の変数（光子の周波数）に依存する光子エネルギーとは異なり、各グルーオンが運ぶエネルギーの量を表す簡単な式は存在しない。単一光子の効果は観測できるが、単一グルーオンはハドロン以外では観測されていない。ハドロンは全体として^[2]グルーオン、価クォーク、海クォーク、その他の仮想粒子から構成されている。

ハドロン中のグルーオン含有量は、DIS測定から推測できます。繰り返しますが、QCD結合エネルギーのすべてがグルーオン相互作用エネルギーではなく、むしろその一部はハドロンの構成成分の運動エネルギーから来ています。^[3]現在、ハドロンあたりの総QCD結合エネルギーは、前述の要因の組み合わせによって推定できます。将来的には、クォーク-グルーオンプラズマの研究がDIS研究をよりよく補完し、状況の理解を深めるでしょう。

• グルーオン
• クォーク
• 現在のクォークと構成クォーク
• ハドロン
• 強い力
• 量子色力学
• カイラル対称性の破れ
• 光子エネルギー
• 不変質量と相対論的質量
• 結合エネルギー

° フランシス・ハルゼン、ジョン・マーティン共著「クォークとレプトン：現代素粒子物理学入門」、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ（1984年）。