中性子とともに原子核を構成する基本粒子である陽子は、約 \(1.6726 \times 10^{-27}\) kg の質量を持っています。しかし、その基本構成要素の質量 (2 つのアップ クォークと 1 つのダウン クォーク) を追加すると、この質量のごく一部しか得られません。それでは、陽子の質量の大部分はどこから来るのでしょうか?その答えは、現代物理学の最も魅力的な発見の 1 つである、陽子内のクォークとグルーオン間の相互作用のエネルギーにあります。
素粒子物理学の標準モデルによれば、陽子は、グルーオンと呼ばれる粒子によって運ばれる強い相互作用によって結合された 3 つのいわゆる「価電子」クォーク (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。ただし、価電子クォークの質量の単純合計は、陽子の総質量の約 1% にすぎません。
\(m_{陽子} \約 938 \text{ MeV}/c^2\)
\(m_{up} \約 2.3 \text{ MeV}/c^2\)
\(m_{down} \約 4.8 \text{ MeV}/c^2\)
\(2m_{上} + m_{下} \約 9.4 \text{ MeV}/c^2 \約 1\% m_{陽子}\)
アインシュタインの有名な質量エネルギー等価性 \(E = mc^2\) によると、残りの 99% は主にクォークの運動エネルギーとクォークを結合するグルーオンのエネルギーから来ています。
この強い相互作用は、クォークを陽子の中に閉じ込めてしまうほど強力です。この力を運ぶグルーオンは、クォーク間で継続的にエネルギーを交換し、常に現れたり消えたりする仮想的なクォークと反クォークのペアも作成します。この仮想粒子の「海」は陽子の質量に大きく寄与します。
これらの相互作用を説明する理論は量子色力学 (QCD) です。これは、結合定数が高エネルギー (漸近自由度) では減少するが、低エネルギーでは増加するという特徴があり、クォークを分離できない理由を説明しています。
QCD の第一原理に基づいて陽子の質量を計算することは、スーパーコンピューターと格子計算技術を必要とする膨大な計算上の課題となります。これらのシミュレーションにより、質量の大部分が確かにグルーオンのエネルギーとクォークの運動エネルギーから来ていることが確認されました。
実験的には、陽子上への電子の深く非弾性散乱により、陽子の内部構造を調査し、クォークとグルーオンの分布に関する QCD 予測を検証することができました。
| 質量源 | おおよその貢献度 | 説明 | 物理的起源 |
|---|---|---|---|
| 価電子クォーク質量 | 〜1% | アップクォークとダウンクォークの適切な質量 | ヒッグス場との相互作用 |
| クォークの運動エネルギー | 〜32% | 陽子の内部でのクォークの動き | 強力な相互作用による封じ込め |
| グルーオンエネルギー | 〜37% | クォーク結合グルーオン場 | グルーオンの強い相互作用と自己相互作用 |
| 異常用語 | 〜30% | 追加の量子貢献 | QCD の共形異常 |
ソース ：現代物理学のレビュー - 陽子の構造そして自然 - 格子 QCD における陽子の質量計算。
物質の核心：陽子の秘められた謎 
電子がほとんど動かないのに電場が30万km/sで伝わる仕組み 
なぜ物質は物質をすり抜けないのか？ 
磁石：冷蔵庫の小さな磁石から浮上列車まで 
電子のスピンから磁気へ：ミニ磁石の出現 
自由電子：衝突する玉から踊る波へ 
水の異常性：宇宙で普通で豊富な分子
塵とは何か？棚に積もるものから惑星を構成するものまで
熱と温度：しばしば混同される2つの熱的概念
電弱力：電磁気力と弱い相互作用の統一
特殊相対性理論：新しい物理学の始まり
ヒッグス粒子：基本的な力の統一
量子もつれ：2つの粒子が1つになるとき！
ペンタクォーク：宇宙のパズルの新しいピース！
なぜ希ガスは希少なのか？
ブラウン運動：2つの世界をつなぐもの
アルベルト・アインシュタインの1905年の4つの論文
なぜ核融合はそんなに多くのエネルギーを必要とするのか？
ファインマンダイアグラムと素粒子物理学
星は鉄より重い元素を作ることができない：核の不安定性の壁のために
ベータ崩壊とは何か？
プランクの壁の理論
絶対真空はユートピアか？
巨大加速器：なぜLHCは世界で唯一なのか
ハドロンの世界：LHCから中性子星まで
アルファ、ベータ、ガンマ線：その違いを理解する
ナノ粒子の世界：見えない革命
シュレーディンガーの猫
永久インフレーション
波とは何か？
量子場理論：すべては場である
量子コンピュータ：科学的革命と技術的課題
ボーズ＝アインシュタイン凝縮
物理学における場の概念
確率の雲から粒子へ：量子力学における電子
エントロピーとは何か？無秩序と情報の核心への旅
ベータ崩壊とニュートリノ：質量とスピンの物語
时空：空間と時間の統合、この概念を理解する
時間の測定：科学的・技術的課題
物理定数と宇宙定数：すべての起源となる普遍的な数字
分光法：尽きることのない情報源
宇宙の化学コード：元素の存在比と起源
原子の大きさ
磁気と磁化：なぜ一部の物質は磁気を持つのか？
クォークとグルーオン：閉じ込めの物語
量子状態の重ね合わせ
アルファ崩壊（α）
電磁誘導の方程式
融合と分裂：2つの核反応、2つのエネルギー経路
古代の原子から現代の原子へ：原子モデルの探求
質量の起源：慣性と重力の間
原子核から電気へ：原子力発電所の解剖
コーヒー1杯を温めるのに何個の光子が必要か？
原子を見る：原子構造の探求
量子力学のトンネル効果
エントロピー：時間とは何か？
物質の12の粒子：サブアトミックスケールで宇宙を理解する
原子軌道：原子のイメージ
反物質：反粒子とそのエネルギーの謎
電荷とは何か？
私たちの物質は量子ではない！
なぜ燃料電池に水素を使用するのか？
ニュートンとアインシュタイン：同じ謎に対する2つのビジョン
陽子の質量はどこから来るのか？
アインシュタインの宇宙：相対論的重力理論の物理的基礎
1905年、静かな革命：アインシュタインが自然の法則を書き換えたとき
E=mc²の方程式は本当に何を意味するのか？
波と粒子の間：二重性の謎
水の超臨界状態：液体とガスの間、第四の相か？
量子力学とスピリチュアリティ：世界を見る別の方法