最終更新日: 2021 年 12 月 8 日

クォークとグルーオン: 閉じ込めの物語

画像の説明: 陽子の内部のクォークとグルーオンは、カラーチャージ。チューブが壊れると、存在するクォークの間に新しいチューブがすぐに形成されます。現在までに、次の 2 種類のハドロンが知られています。
• ザ中間子、補色電荷のクォークと反クォークで構成されます (「白」の組み合わせを形成します)。
• ザバリオン、赤、緑、青の電荷を持つ 3 つのクォークで構成されており、その組み合わせも「白」です。
この加法混色合成との類似性から、この用語が誕生しました。「カラーチャージ」強い相互作用を説明します。

量子色力学: クォークを結合する理論

物質の基本構成要素

クォーク、レプトン、ボソンは、すべての既知の物質を構成する素粒子です。これらの量子実体は次のように記述されます。スタンダードモデル、クォーク (1995 年)、タウニュートリノ (2000 年)、ヒッグス粒子 (2012 年) の発見によって実験的に検証されました。

陽子、中性子、ハドロン: クォークの集合体

原子核の構成要素である陽子と中性子は粒子です複合材（初級以外）。彼らは次の家族に属しています。ハドロン、中間子（パイオン、カオン、イータ、ローなど）などの他の100個の一時的な粒子と並んで。すべての中間子は不安定であり、その間に寿命がある10^-8そして10^-232番。陽子のみが安定しており、推定寿命は10³⁶年。原子核内で安定している中性子は、次のように崩壊します。880.3秒空いているときは（約15分）。

量子色力学 (QCD) と欠落質量

を説明する理論は、強い相互作用原子核の凝集とクォークとグルーオンの質量に関与するのは、量子色力学 (QCD)、1973年に提案されました。デビッド・グロス、フランク・ウィルチェックそしてヒュー・デヴィッド・ポリッツァー(2004 年ノーベル賞)。

陽子（クォーク2個）の質量上+ クォーク 1 個下) または中性子 (1 クォーク上+ クォーク 2 個下) は、その構成要素の質量の合計に対応しません。

陽子の質量：1.673×10^-24g (1.673 yg)、
中性子の質量：1.675×10^-24g、
クォークの質量上：～0.002～0.005μg、
クォークの質量下：～0.004～0.008μg。

クォークは核子の質量のわずか 1% にすぎません。

エネルギーと閉じ込め: 質量の起源

欠けている質量は次のように説明されます。

L'運動エネルギー運動中のクォーク、
L'結合エネルギー強力な相互作用（経由）E=mc²）、核子の質量の大部分を支配します。

クォークを閉じ込めることで、クォークが孤立することを防ぎます。グルーオン、電気的に中性の粒子ですが、カラーチャージ。

クォークの監禁: なぜ彼らは閉じ込められているのでしょうか?

監禁のパラドックス

他の基本的な力 (電磁力、弱い力、重力) とは異なり、**強い相互作用はクォーク間の距離に応じて増加します**。と呼ばれるこの現象は、漸近的自由は、次のことを意味します。

クォークが近づくほど相互作用が少なくなり、
それらを引き離そうとすればするほど、その力はますます激しくなります。弾性バネ。

クォークとグルーオンの海

ハドロンの内部では、クォークと反クォークのペアが常に現れたり消えたりして、ダイナミックな「海」。衝突中にクォークが放出されると、**孤立したクォークを離れることなく**、放出されたエネルギーによって新しい粒子 (パイオン、カオンなど) が即座に生成されます。

例: エネルギー衝突中、陽子から引き裂かれたクォークは新しいハドロン (パイオンのような) を生成しますが、最初のクォークは元の核子の中に閉じ込められたままになります。

封じ込めメカニズム

QCD では、このメカニズムを次のように説明しています。

そこにはクォークと反クォークのペアの生成グルーオンエネルギーから（経由E=mc²）、
L'消滅これらのペアのエネルギーをグルーオンに回復します。

したがって、陽子や中性子は 3 つのクォークの静的なセットではなく、クォーク、反クォーク、グルーオンが絶えず相互作用する **量子スープ** です。 **ただし、正味のバランスは一定のままです**: クォーク 2 個上+1下陽子の場合、2下+1上中性子の場合。

なぜ封じ込めが重要なのでしょうか?

この複雑な構造により、次のことが可能になります。

原子核の安定性、
最適な結合構成による化学元素の多様性。

科学的メモ: 色の閉じ込め

閉じ込めは、次のような粒子の特性です。カラーチャージ :

彼らは**自由に存在することはできません**、
それらは、ハドロンと同様に、「白」の組み合わせ（総色電荷がゼロ）でのみ観察可能です。

この原理は、目に見える物質の存在そのものの根底にあります。

粒子の安定性と不安定性: なぜ永遠に生き続ける粒子と、瞬く間に消えてしまう粒子があるのでしょうか?

粒子の世界には、不変の岩のように非常に安定したものもあれば、稲妻のように一瞬で消えてしまうものもあります。たとえば、陽子は何十億年も存続することができますが、ロー中間子は極めて短い時間しか存続しません。非常に短いため、光線はその一生の間に髪の毛の太さよりも短い距離しか伝わりません。この根本的な違いはどこから来るのでしょうか?それは、量子物理学の基本法則と、各粒子の挙動を決定する特定の相互作用によって説明されます。

要約すると、粒子の寿命は以下によって決まります。

そのエネルギー/質量 (重ければ重いほど、崩壊するための「マージン」が大きくなります)
尊重しなければならない保存法
それが影響を受ける基本的な力
変形できる軽い粒子の存在

安定した粒子: 物質の柱

標準モデルの 3 つの粒子のみが考慮されます。絶対に安定した(少なくとも、宇宙の年齢を超えるほど寿命が長い):

粒子	親切	推定寿命	宇宙における役割
電子	レプトン	> 10²⁰年*	原子の構成要素、電荷担体
プロトン	バリオン	> 10³⁶年	原子核（中性子を含む）
光子	ボソン	∞（安定）	光の輸送と電磁相互作用
ニュートリノ	レプトン	∞（3種とも安定）**	核反応から（太陽、超新星）
※2025年の実験限界。電子崩壊は観測されていない。 ** ニュートリノは標準模型では安定ですが、それを超えた理論では非常にゆっくりとした崩壊が予測されています。

注： :
理論的には、電子はニュートリノと光子に崩壊する可能性がありますが、これは観測されたことがありません。実験上の限界 (2025 年) では、その寿命は 10 年をはるかに超えています。²⁰年。
ニュートリノは標準模型では安定ですが、それを超える理論（大統一) 非常に遅い減衰を予測します。

なぜ安定しているのでしょうか?

電荷の保存: 電子は電荷 (-1) を補償する必要があるため、単独で消滅することはできません。この特性を「回復」する、ゼロ以外の電荷をもつ軽い粒子は存在しません。
バリオ数の保存: 陽子は最も軽いバリオンです。その崩壊はこの法律に違反することになるを除外する理論が次のような場合陽子崩壊(標準モデルの特定の拡張によって予測される) が確認されています。のような経験スーパーカミオカンデ(日本) または砂丘（米国は）まだこの珍しい現象を探しています。
減衰チャネルの欠如: 光子とニュートリノには、より軽い粒子に崩壊するためのエネルギー的に好ましい「経路」がありません。

不安定粒子: 量子花火

粒子の大部分は、エフェメラ、寿命は次のとおりです。ナノ秒に2番。それらの不安定性は 2 つの要因から生じます。

対称性の違反: 特定のインタラクション (例:弱い力) 保存則 (エネルギー、電荷など) を尊重しながら、粒子が別のより軽い粒子に変換できるようにします。
高い質量: 粒子が重ければ重いほど、より軽い粒子に崩壊するまでの「マージン」が大きくなります (経由)E=mc²）。

標準模型における既知の安定粒子（2025年）
粒子	親切	平均寿命	典型的な崩壊	類推
無料の中性子	バリオン	880秒	→ 陽子 + 電子 + 反ニュートリノ	15分後に落ちる綱渡り人
メシオンπ⁰	中間子	8.5×10^-17 s	→ 2光子(γ)	はじけるシャボン玉
カオンK⁺	中間子	1.2×10^-8 s	→ ミュオン + ニュートリノ (63%) またはパイオン (21%)	夜の火花
Zボソン	ボソン	3×10^-25 s	→ 電子 + 陽電子 (またはクォーク)	嵐の中の稲妻
クォークトップ	クォーク	5×10^-25 s	→ クォークボトム+Wボソン	流れ星

具体例：中性子
原子核内では、中性子は次のおかげで安定しています。強い相互作用それはそれらを陽子に結合します。ただし、中性子は孤立すると、弱い力 : n → p⁺ + e⁻ + ν̅_e(中性子→陽子+電子+反電子ニュートリノ)。この反応が根源にありますベータ放射能、医学（PETイメージング）または考古学（炭素14年代測定）で使用されます。

エキゾチックなハドロン: 儚い粒子の動物園

陽子や中性子を超えて、粒子加速器のようなLHC (欧州原子核研究機構)明らかになったハドロンエキゾチック :

テトラクォーク: クォーク 2 個 + 反クォーク 2 個 (例:X(4140)、2020年に観測されました）。寿命: ~10^-23 s.
ペンタクオークス: クォーク 4 個 + 反クォーク 1 個 (例:P_c(4312)、2019年に確認）。寿命: ~10^-20 s.
グルーボール: グルーオンのみで構成されています (2025 年にはまだ実験的に確認されていませんが、積極的に探索されています)。

なぜ彼らはこんなにも不安定なのでしょうか？
これらの粒子は、励起状態クォークとグルーオンの。その高いエネルギーにより、それらは「壊れやすく」なります。次の原理に従って、それらはより軽いハドロン (パイオンやカオンなど) にすぐに崩壊し、最小エネルギーの状態に達します。エネルギーの安定性。

陽子崩壊: 科学の聖杯

プロトンですか本当に安定した？標準モデルはこれを予測しますが、いくつかの理論 (大統一または超対称性）以下に分解する可能性があることを示唆しています。p⁺ → π⁰ + e⁺(陽子→中性パイオン+陽電子)、寿命がある> 10³⁶年(つまり、10²⁶宇宙の年齢の倍！）。

それらを検索するにはどうすればよいですか?
のような検出器スーパーカミオカンデ(50,000トンの純水) またはハイパーカミオカンデ（2025年に建設中、感度は10倍）超稀な崩壊を探して数十億の陽子を監視します。これまでのところ、証拠がないは見つかっていませんが、これらの実験は常に私たちの知識の限界を押し広げています。

ステーク: 陽子の崩壊が観測されれば、それはヒッグス粒子の発見に匹敵する革命となり、基本的な力 (電磁気、強い、弱い) が存在することが証明されるでしょう。統一された原初の宇宙で。

不安定性とテクノロジー: 予期せぬアプリケーション

粒子の不安定性は単なる学術的なテーマではなく、具体的な応用例があります。

核医学：不安定放射性同位体（例えば、テクネチウム-99m、寿命は約6時間）は、医療画像処理（シンチグラフィー）に使用されます。
考古学的年代測定: ザ炭素14（半減期は 5,730 年）により、物体の年代を最大 50,000 年前まで特定できます。
原子力エネルギー: の崩壊ウラン-235（半減期は7億年）原子炉に電力を供給します。
宇宙論: 中性子の不安定性により、原始元素合成(ビッグバン後の最初の原子核の形成)。

知っていましたか？
ザ中性子単独では不安定ですが、核内では強い相互作用により安定になります。この性質により、中性子星: 超新星崩壊後、極度の密度に圧縮された中性子は、数十億年間安定した量子「スープ」を形成します。

知識の最前線: 安定性が単なる幻想だったらどうなるでしょうか?

2025 年、いくつかの謎が残ります。

暗黒物質: 粒子で構成されている場合 (例:WIMP）、その安定性は、なぜそれが崩壊せずに宇宙を支配しているのかを説明できる可能性があります。
量子ブラックホール: ホーキング博士の理論によれば、それらは粒子 (ホーキング放射) を放出することによって「蒸発」しますが、このプロセスはこれまで観察されたことがありません。
反物質: 観測可能な宇宙はなぜ反物質との 50/50 の混合物ではなく物質で構成されているのでしょうか?粒子と反粒子の間の安定性のわずかな違いが鍵となる可能性があります。

後に続く経験: ザ将来の円形衝突型加速器 (FCC)CERN で 2040 年代に計画されている、100TeV（LHC の 13 TeV と比較して）これにより、標準モデルを超えてさらに不安定な粒子や現象を研究することが可能になります。

要約すると、粒子の安定性と不安定性は自然の気まぐれではなく、次のような結果です。奥深い法則エネルギー、対称性、相互作用のバランスをとります。これらのメカニズムを理解することは、無限に小さいものから無限に大きいものまで、宇宙の秘密を解き明かすことを意味します。