素粒子とは何か?~あらゆるものを構成する最小単位~

私は学生時代、素粒子の実験を行っていました。

ここでは、ごく簡単に、素粒子とは何なのかを紹介します。

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あらゆるものを構成する最小単位

中学校の理科では、物質は原子が組み合わさって出来上がるということを学習します。

高校の化学などでは、原子は原子核電子から構成され、原子核はさらに陽子中性子から構成されるということを学びます。

この、陽子と中性子を形成しているものがクォークというもので、これは素粒子の一種です。

例えば、陽子は2つのアップクォークと1つのダウンクォークからできています。

中性子は1つのアップクォークと2つのダウンクォークからできています。

電子も素粒子の仲間ですが、クォークではなく、レプトンというものに分類されます。

こうした、物質を構成する最小単位や、力を伝達するもの素粒子と言います。

電荷第一世代第二世代第三世代
クォーク+2/3u(アップ)c(チャーム)t(トップ)
-1/3d(ダウン)s(ストレンジ)b(ボトム)
レプトン-1e(電子)μ(ミューオン)τ(タウオン)
0νe(電子ニュートリノ)νμ(ミューニュートリノ)ντ(タウニュートリノ)
物質を形成する素粒子
強い力弱い力電磁力
g(グルーオン)W+,W(ウィークボソン),Z(Zボソン)γ(光子)
力を伝達する素粒子
H(ヒッグス)
ヒッグス場に伴う素粒子

素粒子間に働く力

強い力

強い力(強い相互作用)はクォーク同士を結び付けるものです。

クォークは単独で存在することができず、必ず複数のクォークが強い力で結び付いています。

プラス同士、あるいはマイナス同士のクォークの反発に逆らって陽子や中性子を形成できるのは、強い力のおかげです。

弱い力

弱い力(弱い相互作用)は原子核のベータ崩壊にかかわる力です。

誤解されがちですが、弱いというのは電磁力と比べて短距離でしか作用しないという意味です。

ニュートリノは電荷をもたず、質量も無視できるほど小さいため、観測するには弱い力を利用します。

電磁力

電磁力は電荷をもった粒子間に働く力です。

プラスの電荷を帯びた粒子同士は反発しあい、マイナスの電荷を帯びた粒子同士も反発し合います。

プラスの電荷を帯びた粒子とマイナスの電荷を帯びた粒子は引き合います。

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