陽子の質量はどこから来るのでしょうか?

陽子の質量の謎

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。

陽子の組成

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。

強力な相互作用の重要な役割

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。

理論計算と実験検証

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。

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。