クォークはすべての物質を構成していますが、単体では見たことがないのです。 また、クォークには「フレーバー」と「カラー」がありますが、どちらの言葉もクォークが実際に行っていることとは関係がありません。
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多くの人にとって、なぜクォークが必要かという疑問があるのではないでしょうか。 特に、クォークは互いに分離できないので、これまでクォーク単体を見たことがないことを知ると、このことがよく出てきます。 陽子や中性子のような素粒子で十分ではないか？ 宇宙を理解するために、なぜそれらをさらに分割する必要があるのでしょうか。
クォークの詩
「基本」粒子と考えられていたものに関する最初の問題は、1960年代に湧き上がりはじめました。 電子がいつ、どのように方向を変えるかを見て、科学者たちは、原子核は小さな部品で構成されているはずで、そのうちのいくつかに電子が「ぶつかる」のだと結論づけた。 電子は、原子核の中にあるはずの陽子よりも小さな部品にぶつかっているのです。 1340>
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これは、粒子の「動物園」として知られるようになったものを単純化しようとしていた科学者にとって良いニュースだった。 この 10 年間の初期に、ジョージ・ツヴァイクとマレー・ゲルマンという 2 人の異なる物理学者が、粒子は素粒子ではなく、どちらかの粒子の電荷が 1/3 か 1/2 になった異なる粒子で構成されていると最初に推測しました。 二人は、物理学で非常に重要な役割を果たす多くの粒子を構成する、3つの非常に基本的な素粒子というアイデアを思いつきました。 ツヴァイクはその粒子を”エース”と名付けました。 ジェームス・ジョイスの『フィネガンズ・ウェイク』を読み、「マス ターマークに3つのクォーク」というナンセンスな詩があることから、ゲルマンはそれらを「クォーク」と呼んだ。
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この新しい理論は電荷、スピン、質量を説明するのに効果的であった。 それは、多くの異なる素粒子を文脈に置くのに役立ちました。 異なる性質を持つ素粒子の数が惑わされることなく、たった3つで、その組み合わせによって、科学者が発見してきたさまざまな粒子を構成することができたのです。 それは、この世に存在する多くの物質が、比較的少数の原子の組み合わせとして理解できるようになったのと同じことである。 ちょうど、水素原子と酸素原子の組み合わせで水や酸ができるように、クォークの組み合わせで陽子や中性子ができるのです。 ただ、陽子の内部で何かが起こり、電子がランダムな方向に飛び出すようになるまでは、誰もクォークが存在する証拠を掴むことができなかったのです。
その後数十年の間に、さらに多くのクォークが単純化されたシステムに追加され、クォークの数は6個になりました。 人々は、なぜ私たちがクォークを単独で見つけられなかったのかを突き止めたのです。 クォークを2個または3個で引き合わせる力は、互いに遠ざかるにつれて強くなり、まるでゴムひものようだ。 しかし、非常に高いエネルギーを持つ事象でなければ、短時間であってもクォークを引き離すことはできない。 クォークは “フレーバー “を変えることもできる。 今日まで誰もクォークを「見た」ことはないが、実験結果と粒子の観察された性質は、クォークの存在に関する理論と完全に一致し、他のどの理論にも一致しないので、科学者はクォークの存在に満足しているのである。 1340>
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色と味
クォークという名前はナンセンスな詩から来ており、それは十分に正しいのですが、その特性の概要を見ると、ナンセンスは名前で終わらないような気がしてきます。 クオークには「フレーバー」がありますが、これは味を感じることができないので、何の意味もありません。 色があり、その研究は量子色力学と呼ばれているが、実際に目に見える色がないことは明らかである。 この不思議な性質は何なのでしょうか。また、なぜ彼らは持っていない性質で名前を付けなければならないのでしょうか。
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先に述べたように、クォークは単独で見つかるものではありません。 彼らはペアで歩き回り、特定のペアは常にチームを組んでいます。 そのペアとは、上と下、チャームとストレンジ、トップとボトムなどです。 これらの各ペアで言及された最初のクォークは、陽子単位の3分の2の電荷を持っていた。 それぞれのペアに含まれる2番目のクォークは、負の3分の1の電荷を持っています。 元の理論では、2つのアップクォークと1つのダウンクォークを足すと、プラス1、つまり陽子の電荷になるのですが、この理論では、アップクォークとダウンクォークを足すと、プラス1、つまり陽子の電荷になります。 ダウンクォーク2個とアップクォーク1個の電荷は足すと0になり、中性子になります。 しかし、3つのクォークが正の3分の2の電荷を持ち、3つのクォークが負の3分の1の電荷を持つなら、なぜクォークは合計2つだけではないのでしょうか？ 何が違うのでしょうか？ それぞれのクォークの質量がほんの少し違うだけなのです。 このため、陽子と中性子を調べると、わずかに質量が異なることがわかったのです。 クォークの組み合わせが違うから、質量が違うのです。 この電荷と質量の組み合わせと、さらにいくつかの難解な性質が、各クォークの「フレーバー」を構成している。
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色は、クォークのもうひとつのひねりの効いたものです。 それらは、理論的な必然性と実験的な証拠の組み合わせです。 クォークは非常に小さな空間に押し込まれており、パウリ排他原理により、2 つの粒子が同時に同じ状態で存在することはできません。 2つのアップクォークが同じ陽子の中に存在することはあり得ないのです。 何かが違うのだ。 そこで登場したのが、クォークの「色」である。 青、赤、緑のクォークは、それぞれのフレーバーで存在する。 ちょうど、たくさんの色の光が混ざって、色のない白い光になるのと同じです。 これは物理学のごまかしと考えられていたかもしれませんが、電子と反陽子の衝突実験によると、クォークの種類はフレーバーだけでなく、3倍もあることが分かっています。 私たちが見ているような色と、数学的・実験的結果によって規定されるモードのような色とを翻訳すると、見当違いなことになります。 クォークを理解する最良の方法は、エキゾチックというよりも、広大な素粒子の世界を整理し単純化する方法として役立っていることを理解することです。 クォークは元素の周期律表のようなものだ。 果たして科学者たちは、もっと小さなものを見つけることができるのだろうか？ わからないが、もし見つかったら、「ジャバウォーキー」に出てくるような名前をつけてほしいものだ。 モーム・ラス」の物理学講義を見てみたいものです。
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トップ画像: ヤーナルゴ
粒子画像。 Io9
クォークの表。 MissMJ
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Via NASA 2回、Hyperphysics 3回、Particle Adventure, and Duke.
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に掲載されました。