クォーク

クォーク

陽子は、 2 つのアップ クォーク、1 つのダウン クォーク、およびそれらを「結合」する力を媒介するグルーオンで構成されています。個々のクォークの色の割り当ては任意ですが、3 つの色がすべて存在する必要があります。赤、青、緑は、一緒になって白色を生成する原色に例えて使用されます。
構成	素粒子
統計	フェルミオン
世代	1位、2位、3位
インタラクション	強い、弱い、電磁気、重力
シンボル	q
反粒子	反クォーク（ q ）
理論化された	マレー・ゲルマン（1964） ジョージ・ツヴァイク（1964）
発見した	SLAC (  1968年頃)
種類	6 (上、下、奇妙、魅力、下、上)
電荷	+ ⁠2/3⁠  e、 − ⁠1/3⁠  e
カラーチャージ	はい
スピン	⁠1/2⁠  ħ
バリオン数	⁠1/3⁠

クォーク（/ k w ɔːr k、k w ɑːr k / ）は、素粒子の一種であり、物質の基本的な構成要素です。クォークは結合してハドロンと呼ばれる複合粒子を形成し、その中で最も安定しているのは原子核の構成要素である陽子と中性子です。^[1]一般に観測可能な物質はすべて、アップクォーク、ダウンクォーク、電子で構成されています。色の閉じ込めと呼ばれる現象により、クォークは単独で見つかることはなく、陽子や中性子などの重粒子や中間子を含むハドロン内、またはクォーク・グルーオン・プラズマ内でのみ見つかります。^{[2] [3] [注 1]}このため、クォークについてわかっていることの多くは、ハドロンの観測から得られています。

クォークには、電荷、質量、色荷、スピンなど、さまざまな固有の 特性があります。クォークは、素粒子物理学の標準モデルにおいて、基本的な力(電磁力、重力、強い相互作用、弱い相互作用)とも呼ばれる4 つの基本的な相互作用をすべて経験する唯一の素粒子であり、また、電荷が基本電荷の整数倍ではない唯一の既知の粒子でもあります。

クォークには、アップ、ダウン、チャーム、ストレンジ、トップ、ボトムの6種類があり、フレーバーと呼ばれています。^[4]アップクォークとダウンクォークは、すべてのクォークの中で最も質量が小さいです。より重いクォークは、粒子の崩壊、つまり高質量状態から低質量状態への変化の過程を経て、急速にアップクォークとダウンクォークに変化します。このため、アップクォークとダウンクォークは一般に安定しており、宇宙で最も一般的ですが、ストレンジ、チャーム、ボトム、トップクォークは、高エネルギー衝突（宇宙線が関与するものや粒子加速器内など）でのみ生成されます。すべてのクォークフレーバーには、反クォークと呼ばれる対応する種類の反粒子があり、反クォークとクォークとの違いは、その特性の一部（電荷など）の大きさは等しく符号が反対である点のみです。

クォークモデルは、 1964年に物理学者のマレー・ゲルマン氏とジョージ・ツヴァイク氏によって独立に提唱されました。 ^[5]クォークはハドロンの秩序体系の一部として導入され、 1968年にスタンフォード線形加速器センターで行われた深非弾性散乱実験まで、その物理的存在の証拠はほとんどありませんでした。 ^{[6] [7]加速器プログラムの実験により、6つのフレーバーすべての証拠が得られました。1995年に}フェルミ国立加速器研究所で初めて観測されたトップクォークは、最後に発見されたクォークでした。^[5]

標準モデルは、既知のすべての素粒子を記述する理論的枠組みである。このモデルには、6種類のクォーク（
q
）、（
あなた
）、下（
d
）、奇妙な（
s
）、魅力（
c
）、底（
b
）、トップ（
t
^{[4]クォークの} 反粒子は反クォークと呼ばれ、対応するクォークの記号の上にバーが付けられて表される。
あなた
反クォークの場合、反物質一般と同様に、反クォークはそれぞれのクォークと同じ質量、平均寿命、スピンを持ちますが、電荷やその他の電荷は反対の符号を持ちます。^[8]

クォークはスピン- ⁠1/2⁠粒子であり、スピン統計定理によればフェルミオンである。パウリの排他原理によれば、2つの同一のフェルミオンが同時に同じ量子状態を占めることはできない。これは、任意の数のボソン（整数スピンを持つ粒子）が同じ状態にあることができることとは対照的である。 ^[9]レプトンとは異なり、クォークは色荷を持ち、強い相互作用を起こす。異なるクォーク間の結果として生じる引力により、ハドロンと呼ばれる複合粒子が形成される（以下の「強い相互作用と色荷」を参照）。

ハドロンの量子数を決定するクォークは価クォークと呼ばれる。これとは別に、ハドロンには量子数に影響を与えない仮想の「海」クォーク、反クォーク、グルーオンが不特定数含まれている可能性がある。 ^[10]ハドロンには2つのファミリーがある。3つの価クォークを持つ重粒子と、価クォークと反クォークを持つ中間子である。 ^[11]最も一般的な重粒子は陽子と中性子であり、原子核の構成要素である。^[12]多数のハドロンが知られている（重粒子の一覧と中間子の一覧を参照）が、そのほとんどはクォークの含有量とこれらの構成クォークが付与する特性によって区別される。テトラクォーク（
q

q

q

q
）とペンタクォーク（
q

q

q

q

q
）はクォーク模型の誕生当初から推測されていたが^[13]、21世紀初頭まで発見されなかった。^{[14] [15] [16] [17]}

基本的なフェルミオンは3つの世代に分類され、それぞれが2つのレプトンと2つのクォークで構成されています。第1世代にはアップクォークとダウンクォーク、第2世代にはストレンジクォークとチャームクォーク、第3世代にはボトムクォークとトップクォークが含まれ、クォークとその他の基本的なフェルミオンの第4世代の探索はすべて失敗しており、^{[18] [19]} 3世代以上は存在しないという強力な間接的な証拠があります。^{[nb 2] [20] [21] [22]}高世代の粒子は一般に質量が大きく安定性が低いため、弱い相互作用によって低世代の粒子に崩壊します。第1世代（アップクォークとダウンクォーク）のみが自然界によく存在します。より重いクォークは高エネルギー衝突（宇宙線が関与するものなど）でのみ生成され、急速に崩壊します。しかし、ビッグバン後の最初の数分の1秒、宇宙が極めて高温高密度の状態にあったとき（クォーク時代）には存在していたと考えられています。より重いクォークの研究は、粒子加速器などの人工的に作り出された環境で行われています。^[23]

電荷、質量、色荷、フレーバーを持つクォークは、現代物理学の4つの基本的な相互作用（電磁気、重力、強い相互作用、弱い相互作用）すべてに関与する唯一の既知の素粒子です。^{[12]重力は、エネルギー（}プランクエネルギー）と距離スケール（プランク距離）の極端な場合を除いて、個々の粒子の相互作用に関連するには弱すぎます。しかし、成功した重力の量子理論が存在しないため、重力は標準モデルでは説明されません。

6 つのクォーク フレーバーの特性のより完全な概要については、以下の特性表を参照してください。

クォーク模型は、 1964年に物理学者のマレー・ゲルマン^[24]とジョージ・ツヴァイク^{[25] [26]によって独立に提唱された。 [5]}この提案は、ゲルマンが1961年に八重法として知られる粒子分類システム、より専門用語ではSU(3) フレーバー対称性と呼ばれる、その構造を合理化した定式化を行った直後になされた。^[27]物理学者ユヴァル・ネーマンは、同年に八重法に似た体系を独自に開発していた。^{[28] [29]}構成要素の組織化の初期の試みは、坂田模型で可能であった。

クォーク理論が始まった当時、「粒子動物園」には他の粒子とともに多数のハドロンが含まれていた。ゲルマンとツヴァイクは、それらは素粒子ではなく、クォークと反クォークの組み合わせで構成されていると仮定した。彼らのモデルには、アップ、ダウン、ストレンジの3種類のクォークが含まれており、スピンや電荷などの特性がこれらに帰せられた。^{[24] [25] [26]}この提案に対する物理学界の当初の反応は複雑だった。クォークが物理的な実体なのか、それとも当時は完全には理解されていなかった概念を説明するための単なる抽象概念なのかについては特に論争があった。^[30]

1年も経たないうちに、ゲルマン・ツヴァイク模型の拡張が提案された。シェルドン・グラショーとジェームズ・ビョーケンは、クォークの第4のフレーバーの存在を予測し、これをチャームと名付けた。この追加が提案されたのは、弱い相互作用（クォークが崩壊するメカニズム）をより適切に記述できるようになり、既知のクォークの数と既知のレプトンの数を等しくし、既知の中間子の質量を正しく再現する質量式を示唆したためである。^[31]

1968年にスタンフォード線形加速器センター（SLAC）で実施され、1969年10月20日に発表された深非弾性散乱実験では、陽子にははるかに小さな点状の物体が含まれており、したがって素粒子ではないことが示された。^{[6] [7] [32]}物理学者は当時、これらの物体をクォークと明確に特定することに消極的で、代わりにリチャード・ファインマンが作った用語である「パートン」と呼んでいた。^{[33] [34] [35]} SLACで観測された物体は、後に他のフレーバーが発見されるにつれて、アップクォークとダウンクォークとして特定されることになった。 ^{[36]それにもかかわらず、「}パートン」はハドロン（クォーク、反クォーク、グルーオン）の構成要素の総称として使用され続けている 。

ストレンジクォークの存在はSLACの散乱実験によって間接的に検証された。それはゲルマンとツヴァイクの3クォークモデルの必須要素であっただけでなく、カオン（
け
) とパイ中間子(
π
）ハドロンが1947年に宇宙線で発見された。^[37]

1970年の論文で、グラショー、ジョン・イリオポロス、ルチアーノ・マイアーニは、フレーバーを変える中性カレントが実験的に観測されないことを説明するGIMメカニズム（3人の頭文字から名付けられた）を提示した。この理論モデルでは、当時まだ発見されていなかったチャームクォークの存在が必要であった。^{[38] [39]}想定されるクォークフレーバーの数は、1973年に現在の6つにまで増え、小林誠と益川敏英は、別のクォークペアがあればCP対称性の破れ^{[注 3] [40]}の実験的観測を説明できると指摘した。

チャームクォークは1974年11月に2つのチームによってほぼ同時に生成された（11月革命を参照）。1つはバートン・リヒター率いるSLAC 、もう1つはサミュエル・ティン率いるブルックヘブン国立研究所である。チャームクォークは中間子の中でチャーム反クォークと結合しているのが観測された。2つのグループは発見された中間子にJとψという2つの異なる記号を割り当てたため、正式には
J/ψ
この発見により、物理学界はついにクォーク模型の妥当性を確信するに至った。^[35]

その後数年間で、クォークモデルを6つのクォークに拡張する提案が数多く発表された。その中で、1975年のハイム・ハラリ^{[41]の論文は、追加されたクォークに対して}トップとボトムという用語を初めて使用した。^[42]

1977年、フェルミ国立加速器研究所のレオン・レーダーマン率いるチームによってボトムクォークが観測された。^{[43] [44]}これはトップクォークの存在を示す強力な指標であった。トップクォークがなければ、ボトムクォークもパートナーなしで存在していたことになる。トップクォークがついに観測されたのは1995年になってからであり、これもフェルミ国立加速器研究所のCDF ^[45]とDØ ^[46]チームによって行われた。^[5]トップクォークの質量は予想よりもはるかに大きく、^[47]金原子 とほぼ同じ大きさであった。^[48]

ゲルマンは、自分が造ろうとしていた用語の実際の綴りをしばらく決めていなかったが、ジェイムズ・ジョイスの1939年の著書『フィネガンズ・ウェイク』で「​​クォーク」という単語を見つけた。^[49]

– マスターマークに3つのクォーク！
確かに彼は吠える力はあまりない
、そして吠える力があったとしてもそれはすべて的外れだ。

quarkという単語は、鳴くという意味の古い英語であり^[50]、上記に引用した行は、トリスタンとイゾルデの伝説で、コーンウォール王マークをあざける鳥の合唱団についてである。^[51]しかし、特にドイツ語圏では、ジョイスがこれをQuark という単語から取ったという伝説が広く知られている。^{[52] Quark は}スラブ語起源のドイツ語で、凝乳チーズを意味するが^[53]、口語では「つまらないナンセンス」を意味することもある。^{[54]伝説では、ジョイスがドイツへの旅の途中、}フライブルクの農民市場でこの単語を聞いたとされている。^{[55] [56]} しかし、一部の著者は、ジョイスのquarkという単語のドイツ語起源の可能性を擁護している。^[57]ゲルマンは、1994年の著書The Quark and the Jaguarで、クォークという名前についてさらに詳しく説明している。^[58]

1963 年に私が核子の基本構成要素に「クォーク」という名前を割り当てたとき、最初に音だけを思いつきました。綴りは「kwork」だったかもしれません。その後、ジェイムズ ジョイスの『フィネガンズ ウェイク』を時々読んでいたとき、「マークに 3 つのクォークを」というフレーズで「クォーク」という単語に出会いました。「クォーク」(カモメの鳴き声を意味する) は明らかに「マーク」や「吠える」などの単語と韻を踏むことを意図していたため、私は「kwork」と発音する言い訳を見つけなければなりませんでした。しかし、この本はハンフリー チンプデン イヤーウィッカーという名の酒場主人の夢を描いています。テキスト内の単語は、通常、鏡の国のアリスの「かばん語」の単語のように、一度に複数のソースから引用されています。時々、バーでの飲み物の注文によって部分的に決定されるフレーズが本の中に登場します。したがって、私は、「マークさんにクォークを 3 つ」という叫びの複数の源の 1 つは、「マークさんにクォートを 3 つ」である可能性があり、その場合、「kwork」という発音はまったく不当ではないと主張しました。いずれにせよ、3 という数字は、自然界でのクォークの発生方法に完全に適合します。

ツヴァイクは彼が理論化した粒子にエースという名前を好んだが、クォークモデルが一般に受け入れられるとゲルマンの用語が目立つようになった。^[59]

クォークのフレーバーに名前が付けられたのにはいくつかの理由がある。アップクォークとダウンクォークは、それらが運ぶアイソスピンのアップとダウンの成分にちなんで名付けられている。 ^{[60]ストレンジクォークは、クォークモデルが提案される何年も前に宇宙線で発見された}ストレンジ粒子の成分であることが発見されたため、その名前が付けられた。これらの粒子は、異常に長い寿命を持っていたため、「ストレンジ」であるとみなされた。^[61]ビョルケンとともにチャームクォークを共同提案したグラショーは、「我々は、この構造を『チャームドクォーク』と呼んだ。なぜなら、それが亜原子核の世界にもたらした対称性に魅了され、喜んだからだ」と述べたと伝えられている。^[62]ハラリによって造られた「ボトム」と「トップ」という名前は、「アップクォークとダウンクォークの論理的なパートナー」であるため選ばれた。^{[41] [42] [61]}ボトムクォークとトップクォークの別名はそれぞれ「美」と「真実」であるが^{[注 4]}、これらの名前はやや使われなくなっている。^[66]「真実」は流行らなかったが、ボトムクォークの大量生産に特化した加速器施設は「美の工場」と呼ばれることもある。^[67]

クォークは分数電荷値を持ちます – (− ⁠1/3⁠ ) または (+ ⁠2/3⁠ )倍の電荷を持ち、フレーバーによって異なります。アップ、チャーム、トップクォーク（まとめてアップ型クォークと呼ばれる）の電荷は + ⁠2/3⁠  e; ダウンクォーク、ストレンジクォーク、ボトムクォーク（ダウン型クォーク）の電荷は − ⁠1/3⁠  e. 反クォークは対応するクォークと反対の電荷を持ちます。アップ型反クォークの電荷は − ⁠2/3⁠  e およびダウン型反クォークの電荷は + ⁠1/3⁠ e.ハドロン の電荷は構成クォークの電荷の合計であるため、すべてのハドロンは整数電荷を持ちます。3つのクォーク（重粒子）、3つの反クォーク（反重粒子）、またはクォークと反クォーク（中間子）の組み合わせは常に整数電荷になります。^[68]たとえば、原子核のハドロン構成要素である中性子と陽子は、それぞれ 0 e と +1 e の電荷を持ちます。中性子は2つのダウンクォークと1つのアップクォークで構成され、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ています。^[12]

スピンとは素粒子の本質的な性質であり、その方向は重要な自由度である。スピンは物体が自身の軸を中心に回転するものとして視覚化されることもある（そのため「スピン」という名前が付けられている）が、素粒子は点状であると考えられているため、この概念は原子スケールでは多少誤解を招く。^[69]

スピンは、長さが縮約プランク定数ħ （「hバー」と発音）の単位で測定されるベクトルで表すことができます。クォークの場合、任意の軸に沿ったスピンベクトル成分の測定では、+ ⁠の値しか得られません。 ħ/2⁠または − ⁠ħ/2⁠ ; このためクォークはスピンとして分類される。 ⁠1/2⁠粒子。 ^{[70]与えられた軸（慣例的に}z軸）に沿ったスピン成分は、値+ ⁠に対して上向き矢印↑で示されることが多い。1/2⁠下矢印↓で値を入力します − ⁠1/2⁠、フレーバー記号の後に置かれます。たとえば、スピンが + のアップクォークは⁠1/2z軸に沿った方向はu ↑で示される。^[71]

あるフレーバーのクォークは、粒子物理学における4つの基本的な相互作用の1つである弱い相互作用を通じてのみ、別のフレーバーのクォークに変換できます。Wボソンを吸収または放出することにより、アップ型クォーク（アップ、チャーム、トップクォーク）はダウン型クォーク（ダウン、ストレンジ、ボトムクォーク）に変化し、その逆も可能です。このフレーバー変換メカニズムにより、ベータ崩壊という放射性プロセスが発生し、中性子（
ん
）は陽子（
p
）、電子（
e⁻
）と電子反ニュートリノ（
ν
_e）（図参照）。これは中性子（
あなた

d

d
）は仮想の
わ⁻
ボソンは中性子を陽子（
あなた

あなた

d
）。
わ⁻
その後、ボソンは電子と電子反ニュートリノに崩壊する。^[72]

ベータ崩壊と逆ベータ崩壊の逆過程はどちらも、陽電子放出断層撮影(PET)などの医療用途やニュートリノ検出を伴う実験で日常的に使用されています。

フレーバー変換のプロセスはすべてのクォークで同じですが、各クォークは自身の世代のクォークに変化する傾向があります。すべてのフレーバー変換の相対的な傾向は、カビボ・小林・益川行列（CKM行列）と呼ばれる数学的な表で説明されます。ユニタリー性を強制すると、 CKM行列のエントリのおおよその大きさは次のようになります。 ^[73]

${\displaystyle {\begin{bmatrix}|V_{\mathrm {ud} }|&|V_{\mathrm {us} }|&|V_{\mathrm {ub} }|\\|V_{\mathrm {cd} }|&|V_{\mathrm {cs} }|&|V_{\mathrm {cb} }|\\|V_{\mathrm {td} }|&|V_{\mathrm {ts} }|&|V_{\mathrm {tb} }|\end{bmatrix}}\approx {\begin{bmatrix}0.974&0.225&0.003\\0.225&0.973&0.041\\0.009&0.040&0.999\end{bmatrix}},}$

ここで、V _{ij は}フレーバーiのクォークがフレーバーjのクォークに変化する傾向（またはその逆）を表します。^{[注 5]}

レプトン（上記のベータ崩壊図のWボソンの右側）には同等の弱い相互作用行列が存在し、ポンテコルボ・マキ・ナカガワ・サカタ行列（PMNS行列）と呼ばれています。^[74] CKM行列とPMNS行列を合わせるとすべてのフレーバー変換を記述できますが、両者の関係はまだ明らかではありません。^[75]

量子色力学（QCD）によれば、クォークは色荷と呼ばれる特性を持つ。色荷には青、緑、赤の3種類がある。^{[注 6]}それぞれに反色（反青、反緑、反赤）が補完している。すべてのクォークは色を持ち、すべての反クォークは反色を持つ。^[76]

3 色の異なる組み合わせで帯電したクォーク間の引力と反発のシステムは強い相互作用と呼ばれ、グルーオンと呼ばれる力を運ぶ粒子によって媒介されます。これについては後で詳しく説明します。強い相互作用を説明する理論は、量子色力学(QCD) と呼ばれます。単一の色値を持つクォークは、対応する反色を運ぶ反クォークと結合系を形成できます。2 つのクォークが引き合う結果、色の中立性が生まれます。つまり、色電荷ξ を持つクォークと色電荷 − ξを持つ反クォークを組み合わせると、色電荷が 0 (または「白」色) になり、中間子が形成されます。これは、基本光学における加法色モデルに似ています。同様に、それぞれ異なる色電荷を持つ 3 つのクォーク、またはそれぞれ異なる反色電荷を持つ 3 つの反クォークを組み合わせると、同じ「白」の色電荷になり、重粒子または反重粒子が形成されます。^[77]

現代の素粒子物理学では、ゲージ対称性（対称群の一種）が粒子間の相互作用に関係している（ゲージ理論を参照）。色SU(3)（一般にSU(3) _cと略される）は、クォークの色電荷に関係するゲージ対称性であり、量子色力学を定義する対称性である。^[78]物理法則が空間内のどの方向がx、y、zで指定されるかに依存せず、座標軸が新しい方向に回転しても変化しないのと同様に、量子色力学の物理学は、3次元色空間のどの方向が青、赤、緑として識別されるかに依存しない。SU(3) _{c色変換は、色空間（数学的に言えば、}複素空間）での「回転」に対応する。それぞれのクォークフレーバーfは、クォークの色に対応するサブタイプf _B、f _G、f _{Rを持ち、} ^[79]トリプレット、つまりSU(3) _cの基本表現の下で変換される 3 成分の量子場を形成します。^{[80] SU(3)} _cが局所的であるという要件、つまりその変換が空間と時間によって変化することが許されるという要件は、強い相互作用の特性を決定します。特に、それはその力のキャリアとして機能する8 種類のグルーオンの存在を意味します。 ^{[78] [81]}

クォークの質量を表すのに2つの用語が使われる。現在のクォーク質量はクォーク自体の質量を指し、構成クォーク質量は現在のクォーク質量にクォークを取り囲むグルーオン 粒子場の質量を加えたものを指す。 ^[82]これらの質量は通常、非常に異なる値を持つ。ハドロンの質量の大部分は、クォーク自体からではなく、構成クォークを結合するグルーオンから来る。グルーオンは本質的に質量がないが、エネルギー、より具体的には量子色力学結合エネルギー（QCBE）を持ち、これがハドロン全体の質量に大きく寄与している（特殊相対論の質量を参照）。たとえば、陽子の質量は約938  MeV/ c ²、そのうち3つの価クォークの静止質量はわずか約9 MeV/ c ²であり、残りの大部分はグルーオンの場のエネルギーに起因すると考えられる^{[83] [84]} (カイラル対称性の破れを参照)。標準モデルでは、素粒子の質量はヒッグス機構から生じ、ヒッグス粒子と関連している。トップクォークの質量が約 9 MeV/c 2 と大きい理由についてさらに研究が進むことが期待される。173 GeV/ c ²は金原子とほぼ同じ質量であり^{[83] [85]、}クォークや他の素粒子の質量の起源についてより多くのことを明らかにするかもしれない。^[86]

QCDでは、クォークは点状の存在であり、大きさはゼロであると考えられています。2014年現在、実験的証拠は、クォークが陽子の10 ^{−4倍以下、つまり10 −19}メートル未満の大きさであることを示しています。^[87]

次の表は、6 つのクォークの主な特性をまとめたものです。フレーバー量子数(アイソスピン( I ₃ )、チャーム( C )、ストレンジネス( S、スピンと混同しないでください)、トップネス( T )、ボトムネス( B ′)) は、特定のクォークフレーバーに割り当てられ、クォークベースのシステムとハドロンの特性を示します。重粒子数( B ) は + ⁠1/3⁠すべてのクォークについて、重粒子は 3 つのクォークから構成されるため、正の符号が付きます。反クォークについては、電荷 ( Q ) とすべてのフレーバー量子数 ( B、I ₃、C、S、T、およびB ′) は反対の符号を持ちます。質量と全角運動量( J ; 点粒子の場合はスピンと同じ) は反クォークに対して符号を変えません。

量子色力学で説明されているように、クォーク間の強い相互作用は、質量のないベクトル ゲージボソンであるグルーオンによって媒介される。各グルーオンは、1つの色電荷と1つの反色電荷を帯びている。粒子相互作用の標準的な枠組み（摂動論として知られるより一般的な定式化の一部）では、仮想的な放出と吸収のプロセスを通じて、グルーオンはクォーク間で絶えず交換されている。グルーオンがクォーク間で転送されると、両方で色の変化が発生する。たとえば、赤いクォークが赤-反緑のグルーオンを放出すると、緑になり、緑のクォークが赤-反緑のグルーオンを吸収すると、赤になる。したがって、各クォークの色は常に変化しますが、それらの強い相互作用は保持されます。^{[88] [89] [90]}

グルーオンは色電荷を帯びているため、それ自体が他のグルーオンを放出したり吸収したりすることができる。これにより漸近的自由が生じる。すなわち、クォークが互いに近づくと、それらの間の色力学的結合力が弱まる。^[91]逆に、クォーク間の距離が増加すると、結合力が強くなる。伸縮性のあるバンドが伸ばされたときに応力がかかるのと同じように、色場は応力を受け、適切な色のグルーオンが自発的に生成されて、場が強化される。特定のエネルギー閾値を超えると、クォークと反クォークのペアが生成される。これらのペアは分離されるクォークと結合し、新しいハドロンが形成される。この現象は色の閉じ込めとして知られており、クォークが孤立して現れることはない。^{[92] [93]この}ハドロン化のプロセスは、高エネルギー衝突で形成されたクォークが他の方法で相互作用できるようになる前に発生する。唯一の例外はトップクォークで、ハドロン化する前に崩壊する可能性がある。^[94]

ハドロンには価クォーク（
q
_ヴ）が量子数に寄与し、仮想クォーク-反クォーク（
q

q
）海クォークと呼ばれるペア（
q
_s) 海クォークはハドロンの色場のグルーオンが分裂したときに形成される。このプロセスは逆にも機能し、 2 つの海クォークの消滅によってグルーオンが生成される。その結果、口語で「海」と呼ばれるグルーオンの分裂と生成が絶えず発生する。^[95]海クォークは価数クォークよりもはるかに安定性が低く、通常はハドロン内部で互いに消滅する。それにもかかわらず、海クォークは特定の状況下ではバリオン粒子または中間子粒子にハドロン化することができる。^[96]

十分に極端な条件下では、クォークは束縛状態から「解放」され、より大きな媒体内で熱化された「自由」励起として伝播する可能性がある。漸近的自由の過程で、強い相互作用は温度の上昇とともに弱くなる。最終的に、色の閉じ込めは、自由に動くクォークとグルーオンの非常に高温のプラズマで事実上失われる。この物質の理論的な相は、クォーク・グルーオン・プラズマと呼ばれる。^[99]

この状態を生じさせるために必要な正確な条件は不明であり、多くの推測と実験の対象となってきた。推定では、必要な温度は(1.90 ± 0.02) × 10 ¹² ケルビン。^[100]完全に自由なクォークとグルーオンの状態は（1980年代と1990年代にCERNが何度も試みたにもかかわらず）達成されたことはありませんが、 ^[101]相対論的重イオン衝突型加速器での最近の実験では、液体のようなクォーク物質が「ほぼ完璧な」流体運動を示す証拠が得られました。^[102]

クォーク・グルーオン・プラズマは、アップクォークとダウンクォークのペアの数に比べて重いクォークのペアの数が大幅に増加することで特徴付けられる。ビッグバンから10 ⁻⁶秒後（クォーク時代）までの期間、温度が高すぎてハドロンが安定しなかったため、宇宙はクォーク・グルーオン・プラズマで満たされていたと考えられている。^[103]

十分に高い重粒子密度と比較的低い温度（おそらく中性子星に匹敵する）を考えると、クォーク物質は弱く相互作用するクォークのフェルミ液体に縮退すると予想される。この液体は、色付きクォーククーパー対の凝縮によって特徴付けられ、局所的なSU(3) _c対称性を破る。クォーククーパー対は色電荷を宿すため、クォーク物質のこのような相は色超伝導となる。つまり、色電荷は抵抗なく通過できる。^[104]