素粒子

物理学において、素粒子は原子よりも小さい粒子である。^[1]素粒子物理学の標準モデルによれば、素粒子は他の粒子から構成される複合粒子（例えば、3つのクォークから構成される陽子や中性子のような重粒子、または2つのクォークから構成される中間子）か、他の粒子から構成されていない素粒子（例えば、クォーク、またはレプトンと呼ばれる電子、ミューオン、タウ粒子）のいずれかである。[ 2 ]素粒子物理学^と原子核物理学は、これらの粒子とそれらがどのように相互作用するかを研究する。^[3]光子やグルーオンのような力を伝える粒子のほとんどはボソンと呼ばれ、量子エネルギーを持っているものの、静止質量や離散直径（純粋なエネルギー波長以外）を持たず、静止質量を持ち重なり合ったり結合したりすることができないフェルミオンと呼ばれる前者の粒子とは異なる。しかし、WボソンとZボソンはこの規則の例外であり、それぞれ約80 GeVと90 GeVと比較的大きな静止質量を持っています。

実験では、光は波のような性質を示すだけでなく、粒子の流れ（光子と呼ばれる）のように振る舞うことが示されています。これにより、量子スケールの粒子が粒子のようにも波のようにも振る舞うことを反映した波動粒子二重性の概念が生まれました。これを反映して、それらは波動粒子と呼ばれることもあります。 ^[4]

もう一つの概念である不確定性原理は、それらの同時位置や運動量など、それらの特性のいくつかは正確に測定できないと述べています。^[5]波動粒子二重性は光子だけでなく、より質量の大きい粒子にも当てはまることが示されている。^[6]

量子場の理論の枠組みにおける粒子の相互作用は、対応する基本的な相互作用の量子の生成と消滅として理解され、これは粒子物理学と場の理論を融合したものです。

粒子物理学者の間でも、粒子の正確な定義は多岐にわたります。粒子の定義に関する専門家の試みには次のようなものがあります。^[7]

• 粒子は崩壊した波動関数である
• 粒子は場の量子励起である
• 粒子はポアンカレ群の既約表現である
• 粒子は観察されるものである

素粒子は、複数の他の粒子で構成されていない「素粒子」であるか、または複数の素粒子が結合して構成されている「複合粒子」です。

標準モデルの素粒子は以下の通りである: ^[8]

• クォークの6 つの「フレーバー」:アップ、ダウン、ストレンジ、チャーム、ボトム、トップ。
• 6 種類のレプトン:電子、電子ニュートリノ、ミューオン、ミューニュートリノ、タウ、タウニュートリノ。
• 12 個のゲージボソン（力の運搬体）：電磁気力の光子、弱い力の 3 つの W ボソンと Z ボソン、強い力の 8 つのグルーオン。
• ヒッグス粒子。

これらはすべて実験を通じて発見されており、最新のものはトップクォーク（1995年）、タウニュートリノ（2000年）、ヒッグス粒子（2012年）です。

標準モデルのさまざまな拡張により、基本的な重力子粒子や他の多くの基本粒子の存在が予測されていますが、2021年時点では何も発見されていません。

ハドロンという言葉はギリシャ語に由来し、1962年にレフ・オクンによって導入されました。^[9]ほぼすべての複合粒子は、グルーオンによって結合した複数のクォーク（および/または反クォーク）を含みます（ポジトロニウムやミューオニウムなど、クォークを含まないいくつかの例外を除く）。少数（5個以下）のクォーク（反クォークを含む）を含むものはハドロンと呼ばれます。色の閉じ込めと呼ばれる特性のため、クォークは単独で見つかることはなく、常に複数のクォークを含むハドロン内に存在します。ハドロンはクォーク（反クォークを含む）の数によって、奇数個のクォーク（ほとんどの場合3個）を含む重粒子（その中で最もよく知られているのは陽子と中性子（2つの核子））と偶数個のクォーク（ほとんどの場合2個、1つのクォークと1つの反クォーク）を含む中間子（その中で最もよく知られているのはパイ中間子とカ中間子）に分けられます。

陽子と中性子を除く他のすべてのハドロンは不安定で、マイクロ秒以下で他の粒子に崩壊します。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ています。これらは通常、原子核に結合します。たとえば、ヘリウム4の原子核は2つの陽子と2つの中性子で構成されています。ほとんどのハドロンは、原子核のような複合体に結合するほど長くは生きません。結合して原子核のような複合体を形成するハドロンは（陽子と中性子以外）、エキゾチック原子核を形成します。

あらゆる亜原子粒子は、量子力学の法則に従う3 次元空間内のあらゆる粒子と同様に、ボソン (整数スピンを持つ) またはフェルミオン (奇数の半整数スピンを持つ) のいずれかになります。

標準モデルでは、すべての基本フェルミオンはスピン 1/2 を持ち、色電荷を持ち強い相互作用を感じるクォークと、色電荷を持たないレプトンに分けられます。基本ボソンは、スピン 1 のゲージボソン (光子、W および Z、グルーオン) で構成され、ヒッグス粒子はスピン 0 の唯一の基本粒子です。

仮説上の重力子は理論的にはスピン 2 を持つことが求められますが、標準モデルの一部ではありません。超対称性などの一部の拡張では、スピン 3/2 を持つ追加の素粒子が予測されていますが、2023 年現在、発見されていません。

複合粒子のスピンの法則により、重粒子 (3 つのクォーク) は 1/2 または 3/2 のスピンを持つためフェルミオンであり、中間子 (2 つのクォーク) は 0 または 1 の整数スピンを持つためボソンです。

特殊相対性理論では、静止粒子のエネルギーは質量と光速の二乗の積に等しく、E = mc ²です。つまり、質量はエネルギーで表すことができ、その逆も可能です。粒子が静止している基準フレームを持っている場合、その粒子は正の静止質量を持ち、質量があると言われます。

すべての複合粒子は質量を持っています。重粒子（「重い」という意味）は中間粒子（「中間」という意味）よりも質量が大きい傾向があり、中間粒子はレプトン（「軽い」という意味）よりも重い傾向がありますが、最も重いレプトン（タウ粒子）は重粒子（核子）の最も軽い2つのフレーバーよりも重いです。また、電荷を持つ粒子はすべて質量があることも確かです。

1950 年代に最初に定義されたとき、重粒子、中間子、レプトンという用語は質量を指していました。しかし、1970 年代にクォーク モデルが受け入れられた後、重粒子は 3 つのクォークの複合体、中間子は 1 つのクォークと 1 つの反クォークの複合体、レプトンは基本的な粒子であり、色荷を持たない基本的なフェルミ粒子として定義されることが認識されました。

質量のない粒子（不変質量がゼロである粒子）はすべて素粒子です。これには光子とグルーオンが含まれますが、グルーオンは分離できません。

ほとんどの亜原子粒子は安定していません。すべてのレプトンと重粒子は、強い力または弱い力によって崩壊します(陽子を除く)。陽子は崩壊しないことが知られていますが、いくつかの非常に重要な大統一理論 (GUT) では実際に安定していることが求められるため、陽子が「真に」安定しているかどうかは不明です。μ および τ ミューオン、およびそれらの反粒子は弱い力によって崩壊します。ニュートリノ (および反ニュートリノ) は崩壊しませんが、関連するニュートリノ振動現象は真空中でも存在すると考えられています。電子とその反粒子である陽電子は、電荷の大きさがe ≤であるより軽い粒子が存在しない限り(存在する可能性は低い)、電荷保存則により理論的には安定しています。その電荷はまだ示されていません。  

観測可能なすべての素粒子の電荷は、素電荷の整数倍である。標準モデルのクォークは「非整数」電荷、つまり⁠の倍数である。1/3⁠  eですが、クォーク (および非整数の電荷を持つその他の組み合わせ) は色の閉じ込めにより分離できません。重粒子、中間子、およびそれらの反粒子の場合、構成するクォークの電荷の合計はeの整数倍になります。

アルバート・アインシュタイン、サティエンドラ・ナート・ボース、ルイ・ド・ブロイなど多くの研究者の研究により、現在の科学理論では、すべての粒子は波動性も持つとされています。^[10]これは、素粒子だけでなく、原子や分子などの複合粒子についても検証されています。実際、非相対論的量子力学の伝統的な定式化によれば、粒子と波動の二重性は、マクロな物体も含め、すべての物体に適用されます。ただし、マクロな物体の波動特性は、波長が短いため検出できません。^[11]

粒子間の相互作用は何世紀にもわたって精査されてきましたが、衝突や相互作用における粒子の挙動はいくつかの単純な法則によって支えられています。その中で最も基本的なのはエネルギー保存の法則と運動量保存の法則で、これにより星からクォークに及ぶ規模の粒子相互作用の計算が可能になります。^{[12]これらは}ニュートン力学の必須の基礎であり、1687年に最初に出版された『自然哲学の数学的原理』に記された一連の声明と方程式です。

負に帯電した電子の質量は約⁠1/1836⁠水素原子の質量の 1/3 です。水素原子の残りの質量は、正に帯電した陽子から来ます。元素の原子番号は、その原子核に含まれる陽子の数です。中性子は、陽子よりわずかに大きい質量を持つ中性粒子です。同じ元素の異なる同位体には、同じ数の陽子が含まれますが、中性子の数は異なります。同位体の質量数は、核子(中性子と陽子を合わせた数)の総数です。

化学は、電子共有によって原子が結晶や分子などの構造に結びつく仕組みを扱っています。化学を理解する上で重要とされる素粒子は、電子、陽子、中性子です。原子物理学は、陽子と中性子が原子核内でどのように配列するかを扱っています。素粒子、原子、分子、およびそれらの構造と相互作用の研究には、量子力学が必要です。粒子の数と種類を変えるプロセスを分析するには、量子場理論が必要です。素粒子の研究自体は、粒子物理学と呼ばれています。高エネルギー物理学という用語は、「粒子物理学」とほぼ同義です。粒子の生成には高エネルギーが必要であり、宇宙線または粒子加速器によってのみ発生するためです。粒子現象論は、これらの実験から得られた素粒子に関する知識を体系化します。^[13]

「素粒子」という用語は、主に 1960 年代のレトロニムであり、多数の重粒子と中間子(ハドロンを構成する) を、現在では本当に素粒子であると考えられている粒子と区別するために使用されました。それ以前は、ハドロンの構成が不明であったため、ハドロンは通常「素粒子」として分類されていました。

重要な発見のリストは次のとおりです。

• ファインマン、リチャード・P.、ワインバーグ、スティーブン編（2001年）。『素粒子と物理法則：1986年ディラック記念講演』（復刻版）。ケンブリッジ：ケンブリッジ大学出版局。ISBN 978-0-521-65862-1。
• グリーン、ブライアン(2003)。『エレガントな宇宙：超弦理論、隠れた次元、そして究極の理論の探求』ニューヨーク、ロンドン、イギリス：ノートン。ISBN 978-0-393-05858-1。
• オーター、ロバート (2006)。『ほぼすべての理論：標準モデル、現代物理学の知られざる勝利』。ニューヨーク、ニューヨーク：パイ・プレス。ISBN 978-0-452-28786-0。
• シュム、ブルース A. (2004)。『Deep down things: the Breathtaking beauty of the particles physics』メリーランド州ボルチモア：ジョンズ・ホプキンス大学出版局。ISBN 978-0-8018-7971-5。
• ヴェルトマン、マルティヌス(2003)。素粒子物理学の事実と謎。ニュージャージー州リバーエッジ:ワールドサイエンティフィック。ISBN 978-981-238-148-4。

• Coughlan, Guy D.; Dodd, JE; Gripaios, Ben M. (2006). 『素粒子物理学の考え方: 科学者のための入門書 (第 3 版)』 ケンブリッジ: Cambridge University Press . ISBN 978-0-521-67775-2。物理学を専攻していない人のための学部生向けテキスト。
• グリフィス、デイビッド J. (2007)。素粒子の入門。ワインハイム:ワイリー。ISBN 978-0-471-60386-3。
• ケイン、ゴードン L. (2017)。現代素粒子物理学（第 2 版）。ケンブリッジ、イングランド、イギリス、ニューヨーク、ニューヨーク、アメリカ：ケンブリッジ大学出版局。ISBN 978-1-107-16508-3。

ウィキメディア・コモンズには、素粒子に関連するメディアがあります。

• カリフォルニア大学：粒子データグループ。