クォーク

クォーク( / ˈ k w ɔːr k , ˈ 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。クォークは結合してハドロンと呼ばれる複合粒子、その中で最も安定なのが陽子と中性子で原子核の構成要素。 ^{[ 1 ]}一般的に観測されるすべての物質は、アップクォーク、ダウンクォーク、および電子で構成されていますカラー閉じ込めと呼ばれる現象によりバリオン（陽子や中性子など）や中間子、またはクォークグルーオンプラズマのみ見つかります。 ^{[ 2 ] [ 3 ] [ nb 1 ]}このため、クォークについて知られていることの多くは、ハドロンの観測から得られたものです。

クォークは、電荷、質量、色電荷、スピンなど、さまざまな固有の性質を持っています。クォークは、素粒子物理学の標準模型において、 4つの基本相互作用（電磁力、重力、強い相互作用、弱い相互作用）すべてを経験する唯一の素粒子であり、また、電荷が素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、フレーバーと呼ばれる 6 種類があります。アップ、ダウン、チャーム、ストレンジ、トップ、ボトムです。^{[ 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。重いクォークは、粒子崩壊の過程、つまり質量が大きい状態から質量が小さい状態への変化によって、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 クォークは一般的に安定しており、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 (宇宙線や粒子加速器での衝突など)でのみ生成できます。すべてのクォーク フレーバーには、対応する反粒子(反クォークと呼ばれる)があり、その特性 (電荷など) の一部が同じ大きさで符号が反対であるという点だけがクォークと異なります。

クォークモデルは、 1964 年に物理学者のマレー・ゲルマンとジョージ・ツヴァイク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順序付けスキームの一部として導入されましたが、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 年にフェルミラボで初めて観測されたトップクォークは、最後に発見されたものです。^{[ 5 ]}

標準模型は、既知のすべての素粒子を記述する理論的枠組みです。この模型には、アップ( u )、ダウン( d )、ストレンジ (s) 、チャーム( c )、ボトム( b ) 、トップ( t )という6 種類のクォーク( q )が含まれています。^{[ 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を付けて表されます。たとえば、アップ反クォークの場合はuです。一般的に反物質と同様に、反クォークは対応する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の符号は逆になります。^{[ 8 ]}

クォークはスピン⁠ 1 / 2 ⁠ の粒子であり、スピン統計定理によればフェルミオンである。クォークはパウリの排他原理に従う。この原理によれば、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) が同状態にあるのとは対照的である。 ^{[ 9 ]}レプトンとは異なり、クォークはカラー電荷を持ち、強い相互作用に関与する。異なるクォーク間の結果として生じる引力により、ハドロンとして知られる複合粒子が形成される( §強い相互作用とカラー電荷を参照)。 

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、これらとは別に、ハドロンには量子数に影響を与えない無数の仮想「海」クォーク、反クォーク、グルーオンが含まれることがあります。 ^{[ 10 ]}ハドロンには、3つの価クォークを持つバリオンと、価クォークと反クォークを持つメソンの2つのファミリーがあります。 ^{[ 11 ]}最も一般的なバリオンは、原子核の構成要素である陽子と中性子です。^{[ 12 ]}多数のハドロンが知られており（バリオンのリストとメソンのリストを参照）、そのほとんどは、クォークの内容と、これらの構成クォークが与える特性によって区別されます。テトラクォーク( q q q q )やペンタクォーク( q q q q q )のような、より多くの価クォークを持つ「エキゾチック」ハドロンの存在は、クォークモデルの初期から推測されていましたが^{[ 13 ]}、21 世紀初頭まで発見されませんでした。^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

素粒子フェルミオンは、それぞれ 2 つのレプトンと 2 つのクォークからなる 3 つの世代にグループ分けされます。第 1 世代にはアップ クォークとダウン クォークが含まれ、第 2 世代にはストレンジ クォークとチャーム クォークが含まれ、第 3 世代にはボトム クォークとトップ クォークが含まれます。第 4 世代のクォークやその他の素粒子フェルミオンの探索はすべて失敗しており、[ ^{18 ] [ 19 ] 3}世代を超えるものは存在しないという強い間接的証拠があります。^{[ nb 2 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}高世代の粒子は一般的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。自然界では第 1 世代 (アップ クォークとダウン クォーク) のみが一般的に存在します。より重いクォークは高エネルギー衝突 (宇宙線が関与する衝突など) でのみ生成され、急速に崩壊します。しかし、それらはビッグバン後の最初の数秒間、宇宙が極めて高温高密度の段階（クォーク時代）にあったときに存在していたと考えられている。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られた条件下で行われている。^{[ 23 ]}

電荷、質量、色電荷、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）すべてに関与することが知られている唯一の素粒子です。 ^{[ 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）の極限を除いて、個々の粒子の相互作用に関係するには弱すぎます。しかし、重力の成功した量子論が存在しないため、重力は標準模型では記述されません。

6種類のクォークフレーバーの特性についてより詳細な概要を知りたい場合は、下記の特性表を参照してください。

クォークモデルは、 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 ]によって独立に提案されました。 [ 5 ]}この提案は、ゲルマンが 1961 年に粒子分類システムである「八重の道」、より技術的な用語ではSU(3)フレーバー対称性を定式化し、その構造を合理化した直後に行われました。^{[ 27 ]}物理学者のユヴァル・ネーマンは、同年に「八重の道」に似たスキームを独立に開発しました。^{[ 28 ] [ 29 ]}構成要素の組織化の初期の試みは、坂田モデルで利用可能でした。

クォーク理論が提唱された当時、「粒子動物園」には、他の粒子に加えて多数のハドロンが含まれていました。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提唱しました。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それらに帰属されました。^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}この提案に対する物理学界の最初の反応は賛否両論でした。特に、クォークが物理的な実体なのか、それとも当時十分に理解されていなかった概念を説明するために使用された単なる抽象概念なのかについて議論がありました。^{[ 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・グラショウとジェームズ・ビョルケンは、第4のフレーバーのクォークの存在を予測し、それをチャームと呼んだ。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）をより良く記述でき、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公式を暗示していたからである。^{[ 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ました。^{[ 6 ] [ 7 ] [ 32 ]}物理学者たちは当時、これらの物体をクォークと明確に同一視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」と呼んでいました。^{[ 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識別されることになります。^{[ 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われ続けています。リチャード・テイラー、ヘンリー・ケンドール、ジェローム・フリードマンは、SLACでの研究業績により、1990年のノーベル物理学賞を受賞した。

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るだけでなく、 1947年に宇宙線で発見されたカオン（K）とパイオン（π）ハドロンの説明も提供した。 ^{[ 37 ]}

1970年の論文で、グラショウ、ジョン・イリオポロス、ルチアーノ・マイアニは、フレーバー変化中性カレントの実験的非観測を説明するために、GIM機構（彼らの頭文字から名付けられた）を発表した。この理論モデルは、まだ発見されていないチャームクォークの存在を必要とした。^{[ 38 ] [ 39 ]} 1973年、小林誠と益川俊英は、別のクォークのペアがあればCP対称性の破れ^{[ nb 3 ] [ 40 ]}の実験的観測を説明できると指摘し、想定されるクォークフレーバーの数は現在の6つに増えた。

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月の革命」を参照）。1つはSLACのバートン・リヒター、もう1つはブルックヘブン国立研究所のサミュエル・ティングによるものであった。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つのチーム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中間子として知られるようになった。この発見により、物理学界はついにクォークモデル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現れた。その中でも、1975年のハイム・ハラリの論文^{[ 41 ]}は、追加のクォークに対してトップとボトムという用語を初めて用いたものであった^{[ 42 ] 。}

1977年、ボトムクォークはレオン・レーダーマン率いるフェルミラボのチームによって観測された。^{[ 43 ] [ 44 ]}これはトップクォークの存在を示す強力な証拠であった。トップクォークがなければ、ボトムクォークにはパートナーがいなかったことになる。トップクォークが最終的に観測されたのは1995年で、これもフェルミラボのCDF ^{[ 45 ]}とDØ ^{[ 46 ]}チームによるものであった。^{[ 5 ]}そ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 ]}

しばらくの間、ゲルマンは自分が造語しようとしていた用語の実際の綴りについて決めかねていたが、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」という言葉を見つけた。^{[ 49 ]}

– マスターマークに3つのクォーク！ 確かに彼はあまり吠えませんし 、吠えたとしてもそれはすべて的外れです。

「クォーク」という言葉は、古い英語で「カエルの鳴き声」を意味する言葉です^{[ 50 ]。}上記の引用された行は、トリスタンとイゾルデの伝説で、コーンウォールのマーク王を嘲笑する鳥の合唱隊についてです^{[ 51 ]}。しかし、特にドイツ語圏では、ジョイスが「クォーク」という言葉から取ったという伝説が広く知られています^{[ 52 ]。}これはスラブ語起源のドイツ語で、凝乳チーズを意味しますが^{[ 53 ]}、「取るに足らないナンセンス」を意味する口語でもあります^{[ 54 ]} 。伝説では、ジョイスがドイツへの旅でフライブルクの農産物市場でこの言葉を聞いたと言われています^{[ 55 ] [ 56 ]}。しかし、ジョイスの言葉「クォーク」 がドイツ語起源である可能性を擁護する著者もいます。^{[ 57 ]}ゲルマンは、1994 年の著書『クォークとジャガー』でクォークの名前についてさらに詳しく説明しました。^{[ 58 ]}

1963年、私が核子の基本構成要素に「クォーク」という名前を付けたとき、綴りはまだ決まっていませんでしたが、まず音だけは決まっていて、「クワーク」と発音できたかもしれません。その後、ジェイムズ・ジョイスの『フィネガンズ・ウェイク』を時折読んでいたとき、「マーク先生に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」（例えば、カモメの鳴き声）は明らかに「マーク」や「吠える」などの単語と韻を踏むように意図されていたので、「クワーク」と発音するための言い訳を見つける必要がありました。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の夢を表しています。本文中の単語は、通常、『鏡の国のアリス』の「合成語」のように、複数の出典から同時に引き出されています。時折、この本には、バーで飲み物を注文する声に部分的に由来するフレーズが登場します。そこで私は、「スリー・クォークス・フォー・マスター・マーク」という叫び声の複数の由来の一つは「スリー・クォーツ・フォー・ミスター・マーク」である可能性があり、その場合「クワーク」という発音も全く不当ではないと主張した。いずれにせよ、数字の3はクォークが自然界に存在する様相にぴったり合致する。

ツヴァイクは自身が理論化した粒子にエースという名前を好んだが、クォークモデルが広く受け入れられるようになるとゲルマンの用語が普及した。^{[ 59 ]}

クォークのフレーバーにはいくつかの理由から名前が付けられました。アップクォークとダウンクォークは、それぞれが持つアイソスピンのアップ成分とダウン成分にちなんで名付けられました。^{[ 60 ]}ストレンジクォークは、クォークモデルが提唱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構成要素であることが発見されたため、その名前が付けられました。これらの粒子は、異常に長い寿命を持つため「ストレンジ」とみなされました。 ^{[ 61 ]}ビョルケンと共にチャームクォークを提唱したグラショウは、「私たちは、この構成を「チャームクォーク」と呼びました。なぜなら、それが素粒子の世界にもたらした対称性に魅了され、喜んだからです」と述べています。^{[ 62 ]}ハラリが考案した「トップ」と「ボトム」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」であるという理由で選ばれました。^{[ 41 ] [ 42 ] [ 61 ]}トップクォークとボトムクォークの別名は「真実」と「美」ですが、^{[ nb 4 ]}これらの名前はやや使われなくなっています。^{[ 66 ]} 「真実」は定着しませんでしたが、ボトムクォークを大量生産するための加速器複合施設は「美の工場」と呼ばれることがあります。^{[ 67 ]}

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ます。各グルーオンは、1つのカラー電荷と1つの反カラー電荷を持ちます。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、グルーオンは仮想放出および吸収プロセスを通じてクォーク間で絶えず交換されます。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します。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、緑色になり、緑のクォークが赤-反緑のグルーオンを吸収すると、赤色になります。したがって、各クォークの色は絶えず変化しますが、それらの強い相互作用は維持されます。^{[ 88 ] [ 89 ] [ 90 ]}

グルーオンは色電荷を持つため、グルーオン自身も他のグルーオンを放出および吸収することができます。これにより漸近的自由が生じます。クォークが互いに近づくにつれて、それらの間の色力学的結合力が弱まります。^{[ 91 ]}逆に、クォーク間の距離が大きくなると、結合力が強くなります。カラー場は、ゴムバンドが伸ばされたときにストレスを受けるのと同様にストレスを受け、場を強化するために適切な色のグルーオンが自発的に多く生成されます。ある一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ます。これらのペアは分離されるクォークと結合し、新しいハドロンを形成します。この現象は色閉じ込めとして知られています。クォークは決して単独では現れません。^{[ 92 ] [ 93 ]}このハドロン化のプロセスは、高エネルギー衝突で生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します。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ります。^{[ 94 ]}

クォーク物質のその他の相

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、より大きな媒質中で熱平衡化した「自由」励起として伝播する可能性がある。漸近自由の過程で、強い相互作用は温度の上昇とともに弱くなる。最終的には、自由に運動するクォークとグルーオンの極めて高温のプラズマでは、カラー閉じ込めは事実上失われるだろう。この理論上の物質相は、クォーク・グルーオン・プラズマと呼ばれる。^{[ 99 ]}

この状態を引き起こすために必要な正確な条件は不明であり、多くの憶測と実験の対象となってきた。必要な温度は推定で(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、CERNが1980 年代と 1990 年代に何度も試みたにもかかわらず、これまで達成されたことはないが、^{[ 101 ]}相対論的重イオン衝突型加速器での最近の実験により、「ほぼ完全な」流体運動を示す液体のようなクォーク物質の証拠が得られた。^{[ 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、より重いクォークのペアの数が大幅に増加するという特徴を持つ。ビッグバン後^10⁻⁶秒までの期間（クォーク時代）には、ハドロンが安定するには温度が高すぎたため、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 ]}

十分に高いバリオン密度と比較的低い温度（おそらく中性子星で見られる温度に匹敵する）が与えられると、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、カラークォーククーパー対の凝縮によって特徴付けられ、それによって局所的なSU(3) _c対称性が破れる。クォーククーパー対はカラー電荷を帯びているため、このようなクォーク物質の相はカラー超伝導性を持つ。つまり、カラー電荷は抵抗なく通過できる。^{[ 104 ]}

• A. Ali; G. Kramer (2011). "JETSとQCD：クォークおよびグルーオンジェットの発見とそのQCDへの影響に関する歴史的レビュー". European Physical Journal H. 36 ( 2): 245. arXiv : 1012.2288 . Bibcode : 2011EPJH...36..245A . doi : 10.1140/epjh/e2011-10047-1 . S2CID 54062126 . 
• R. ボウリー、E. コープランド。「クォーク」。60のシンボル。ノッティンガム大学のためにブレイディ・ハラン。
• DJ グリフィス(2008).素粒子入門(第 2 版). Wiley–VCH . ISBN 978-3-527-40601-2。
• IS Hughes (1985).素粒子（第2 版）. Cambridge University Press . ISBN 978-0-521-26092-3。
• R. オーター(2005). 『ほぼすべての理論：標準模型、現代物理学の知られざる偉業』 Pi Press . ISBN 978-0-13-236678-6。
• A. ピッカリング(1984). 『クォークの構築：素粒子物理学の社会学的歴史』シカゴ大学出版局。ISBN 978-0-226-66799-7。
• B. ポヴ(1995).素粒子と原子核：物理概念入門. Springer-Verlag . ISBN 978-0-387-59439-2。
• M. リオルダン(1987). 『クォークの狩り：現代物理学の真実の物語』サイモン＆シュスター。ISBN 978-0-671-64884-8。
• B.A. シュム(2004). 『深淵の奥底：素粒子物理学の息を呑むような美しさ』ジョンズ・ホプキンス大学出版局。ISBN 978-0-8018-7971-5。

• 1969年ノーベル物理学賞受賞講演（マレー・ゲルマン）
• バートン・リヒターによる1976年ノーベル物理学賞受賞講演
• 1976年ノーベル物理学賞受賞講演（サミュエル・C・C・ティング）
• 小林誠氏による2008年ノーベル物理学賞受賞講演
• 益川俊英による2008年ノーベル物理学賞受賞講演
• T.A.ヘッペンハイマー著『トップクォークとヒッグス粒子』 – CERNが行ったクォークのファミリーを数える実験 の説明。
• Think Bigのウェブサイト、クォークとグルーオン
• Think Bigウェブサイト、Quarks 2019