強力な相互作用

原子核物理学および素粒子物理学において、強い相互作用は強い力または強い核力とも呼ばれ、クォークを陽子、中性子、その他のハドロン粒子に閉じ込める基本的な相互作用です。また、強い相互作用は中性子と陽子を結合させて原子核を形成し、その場合は核力と呼ばれます。

陽子や中性子の質量のほとんどは強い相互作用エネルギーによるもので、個々のクォークは陽子の質量の約1%を占めるに過ぎません。10 ⁻¹⁵  m（1フェムトメートル、核子の半径よりわずかに大きい）の範囲では、強い力は電磁力の約100倍、弱い相互作用の10 ⁶倍、重力の10 ³⁸倍の強さです。^[1]

原子核の文脈では、この力は陽子と中性子を結合させて原子核を形成し、核力（または残留強い力）と呼ばれます。^[2]このスケールでは、この力は質量が大きく寿命の短い中間子によって媒介されるため、残留強い相互作用は、ハドロン内のクォークを結合させる場合とはまったく異なる、核子間の距離に依存した動作に従います。 また、核融合と核分裂に関しても、核力の結合エネルギーに違いがあります。 核融合は、太陽やその他の恒星におけるエネルギー生成の大部分を占めています。 核分裂は、弱い相互作用によって媒介されることが多いものの、放射性元素や同位体の崩壊を可能にします。 人工的に、核力に関連するエネルギーは、ウランまたはプルトニウムベースの核分裂兵器と水素爆弾のような核融合兵器の両方で、原子力と核兵器で部分的に放出されます。^{[3] [4]}

1971 年以前、物理学者たちは原子核がどのように結合しているかについて確信が持てませんでした。原子核は陽子と中性子で構成され、陽子は正電荷を持ち、中性子は電気的に中性であることはわかっていました。当時の物理学の理解によれば、正電荷は互いに反発し、正電荷を帯びた陽子は原子核を飛び散らすはずでした。しかし、これは一度も観察されませんでした。この現象を説明するには新しい物理学が必要でした。

陽子同士の電磁気的な反発にもかかわらず原子核が結合している理由を説明するために、より強い引力が仮定されました。この仮説上の力は強い力と呼ばれ、原子核を構成する 陽子と中性子に作用する基本的な力であると信じられていました。

1964年、マレー・ゲルマンとジョージ・ツヴァイクはそれぞれ、陽子と中性子を含む重粒子と中間子が素粒子で構成されていると提唱した。ツヴァイクは素粒子を「エース」と呼び、ゲルマンは「クォーク」と呼んだ。この理論はクォーク模型と呼ばれるようになった。^[5]核子間の強い引力は、クォークを陽子と中性子に結び付けるより基本的な力の副作用であった。量子色力学の理論では、クォークは色荷と呼ばれるものを持っているが、これは目に見える色とは関係がないと説明されている。^[6]異なる色荷を持つクォークは強い相互作用の結果として互いに引き合い、これを媒介する粒子はグルーオンと呼ばれた。

強い相互作用は2つの範囲で観測可能で、それぞれ異なる力の媒体によって媒介されます。約0.8  fm（核子の半径とほぼ同じ）未満のスケールでは、力はグルーオンによって運ばれ、クォークをまとめて陽子、中性子、その他のハドロンを形成します。約3 fmまでのより大きなスケールでは、力は中間子によって運ばれ、核子（陽子と中性子）をまとめて原子核を形成します。^{[2]前者の文脈では、この力は}色の力としてよく知られており、非常に強いため、ハドロンが高エネルギー粒子に衝突すると、自由に移動する粒子として構成要素（クォークとグルーオン）を放出する代わりに、質量のある粒子のジェットを生成します。強い力のこの特性は色の閉じ込めと呼ばれます。

強い相互作用は 4 つの基本的な力の中で「最も強い」ため、「強い」という語が使われています。10 ^{−15 m の距離では、その強さは}電磁力 の約 100 倍、弱い力の約 10 ⁶ 倍、重力の約 10 ³⁸ 倍になります。

強い力は、素粒子物理学の標準モデルの一部である量子色力学(QCD) によって記述されます。数学的には、QCD はSU(3)と呼ばれる局所 (ゲージ)対称性群に基づく非アーベルゲージ理論です。

強い相互作用の力を運ぶ粒子は、質量のないゲージ粒子であるグルーオンです。グルーオンは、色荷と呼ばれる種類の電荷を介してクォークや他のグルーオンと相互作用すると考えられています。色荷は電磁荷に似ていますが、1 つではなく 3 つのタイプ (±赤、±緑、±青) があり、その結果、異なる動作規則が生じます。これらの規則は、クォーク - グルーオン相互作用の理論である量子色力学(QCD) によって説明されます。中性である電磁気学の光子とは異なり、グルーオンは色荷を運びます。クォークとグルーオンは、消えない色荷を運ぶ唯一の基本粒子であるため、互いにのみ強い相互作用に参加します。強い力は、グルーオンと他のクォークおよびグルーオン粒子との相互作用の表現です。

QCD のすべてのクォークとグルーオンは強い力を通じて相互作用します。相互作用の強さは、強い結合定数によってパラメータ化されます。この強さは、群論的特性である粒子のゲージカラー電荷によって変更されます。

強い力はクォーク間に作用します。他のすべての力（電磁力、弱い力、重力）とは異なり、強い力はクォークのペア間の距離が増しても強さが減少することはありません。限界距離（ハドロンの大きさ程度）に達した後、その強さは約10 000  Nの力は、クォーク間の距離がどれだけ離れていても、クォーク同士の力に等しい。^{[7] : 164} クォーク間の距離が離れるにつれて、対に加えられたエネルギーによって、元の2つのクォークの間に新しい一致する対のクォークが作られる。したがって、クォークを分離することは不可能である。その説明は、10 000  N は、非常に短い距離内で粒子と反粒子のペアを生成するのに十分です。2 つのクォークを引き離すことによってシステムに加えられたエネルギーは、元のクォークとペアになる新しいクォークのペアを生成します。QCD では、この現象は色閉じ込めと呼ばれています。その結果、個々の自由クォークではなく、ハドロンのみが観測されます。自由クォークを探したすべての実験の失敗は、この現象の証拠であると考えられています。

高エネルギー衝突に関与する基本的なクォークとグルーオン粒子は直接観測できません。相互作用により、観測可能な新しく生成されたハドロンのジェットが生成されます。これらのハドロンは、質量エネルギー等価性の現れとして、十分なエネルギーがクォーク-クォーク結合に蓄積されたときに生成されます。たとえば、粒子加速器実験中に、ある陽子のクォークが別の陽子の非常に高速なクォークに衝突したときなどです。ただし、クォーク-グルーオンプラズマは観測されています。^[8]

色の閉じ込めは、束縛されたクォーク (ハドロン) のコンパクトな集合体ではクォークのペア間で距離の減少なしに強い力が作用することを意味しますが、陽子の半径に近いかそれより大きい距離では、残留力 (以下で説明) が残ります。これは「無色」のハドロン間の力として現れ、核力または残留強い力(歴史的には強い核力) として知られています。

核力は、中間子と重粒子として知られるハドロンの間で作用する。間接的に作用するこの「残留強い力」は、仮想π中間子とρ 中間子の一部を形成するグルーオンを伝達し、今度は、核子（水素1原子核以外）をまとめる核子間の力を伝達する。^[9]

残留強い力は、クォークを陽子と中性子に結び付ける強い力のわずかな残余です。この同じ力は、中性子と陽子の間でははるかに弱くなります。なぜなら、この力はほとんどが中性化されているからです。これは、中性原子間の電磁力（ファンデルワールス力）が、電子を原子核と結び付けて原子を形成する電磁力よりもはるかに弱いのと同じです。^[7]

強い力と異なり、残留強い力は距離とともに減少し、その減少は急速です。減少はおおよそ距離の負の指数乗で表されますが、これを表す簡単な式は知られていません。湯川ポテンシャルを参照してください。残留引力の距離による急速な減少と、原子核内の陽子間に働く電磁反発力の減少の緩やかな減少により、原子番号が82 (元素鉛) より大きいすべての原子核など、より大きな原子核の不安定性が発生します。

核力は強い相互作用自体よりも弱いですが、それでも非常にエネルギーが高く、遷移によってガンマ線が生成されます。原子核の質量は、個々の核子の質量の合計とは大きく異なります。この質量欠損は、核力に関連する位置エネルギーによるものです。質量欠損の違いが、核融合と核分裂の原動力となります。

いわゆる大統一理論(GUT) は、強い相互作用と電弱相互作用を単一の力の側面として記述することを目的としており、これはグラショー・ワインバーグ・サラム模型によって電磁相互作用と弱い相互作用が電弱相互作用に統一された方法に似ています。強い相互作用には漸近自由と呼ばれる特性があり、強い力の強さはエネルギー (または温度) が高くなると減少します。その強さが電弱相互作用と等しくなる理論上のエネルギーが大統一エネルギーです。しかし、このプロセスを記述する大統一理論はまだうまく定式化されておらず、大統一は物理学における未解決の問題のままです。

GUT が正しければ、ビッグバン後、宇宙の電弱時代に電弱力が強い力から分離したことになります。したがって、これ以前に 大統一時代が存在していたと仮定されます。

• 量子力学の数学的定式化
• 標準モデルの数学的定式化
• 核結合エネルギー
• QCD物質
• 量子場理論
• 湯川相互作用

• Christman, JR (2001) 「MISN-0-280: 強い相互作用」(PDF)。
• グリフィス、デイビッド（1987年）。素粒子入門。ジョン・ワイリー・アンド・サンズ。ISBN 978-0-471-60386-3。
• ハルゼン、F.、マーティン、AD（1984）。クォークとレプトン：現代素粒子物理学入門コース。ジョン・ワイリー＆サンズ。ISBN 978-0-471-88741-6。
• ケイン、GL（1987）。現代の素粒子物理学。ペルセウスブックス。ISBN 978-0-201-11749-3。
• モリス、R. (2003)。『最後の魔術師：錬金術から周期表への道』ジョセフ・ヘンリー・プレス。ISBN 978-0-309-50593-2。

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