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クォークが単独で観測できない理由


お断り:前回の記事は読んでいただけているものとして、お話しを
     進めさせていただきます。
参照⇒湯川理論


パイ中間子の発見以後、続々と新しい粒子が見つかりました。
これらの粒子を「ハドロン」と呼びます。
「ハドロン」とは強い力に関係する粒子、と覚えておくとよいようです。

「ハドロン」には「メソン(中間子)」と「バリオン(重粒子)」の
2種類があります。この2つの、分類した当初の違いは重さの違いでした。
メソン :陽子より軽くて電子より重い粒子
バリオン:メソンより重い粒子

後にクォークによる説明で、次のようになります。
メソン :クォーク2つからできている粒子
バリオン:クォーク3つからできている粒子

強い力とは関係ないニュートリノや電子などは「レプトン(軽粒子)」と
総称されています。
参照⇒素粒子の標準模型


続々と見つかったハドロンを、そのすべてをより単純なもので説明しようと
考えられて生まれてきたのが「クォーク理論」です。

「クォーク理論」を理解するためには、「色荷」と名付けられているものに
ついて理解する必要性があります。そして「色荷」を説明しようとすると避
けることが出来ない原理が出てきます。それは「パウリの排他原理」という
ものです。

パウリの排他原理によると、クォークやレプトン(総称して「フェルミオン」
と呼ばれています)は同じ場所に1つしか置けません。参考までに力を伝える
素粒子ボソンは排他原理に従わず、同じ場所にいくらでも詰め込めます。光子
もボソンの一種ですので、レーザー光線あたりからある程度ご理解いただける
かと思います。
参照⇒素粒子の標準模型
     電磁気力は粒子が光子を吸ったり吐いたりして伝わる

排他原理に従う粒子であれば単独で観測できるはずなのですが、クォークは単
独で観測できません。このことを説明するために考えられたものが「色荷」にな
るんです。

「色荷」という名前は、色の性質にたとえると説明しやすいことからつけられ
たものです。1種類のクォークには(光の三原色である)赤・緑・青の3種類
の色荷を持ったものがあり、さらにその反クォークには反赤・反緑・反青の3
種類の色荷をもったものがある、と説明されています。

「色荷」は電磁気力における「電荷」のようなものと見なされ、強い力の源泉
だと言えます。プラス電荷とマイナス電荷が引き合って0電荷になりたがるよ
うに、赤色荷と緑色荷と青色荷が引き合って白色荷になりたがったり(バリオ
ン)、赤色荷と反赤色荷(緑や青の場合も同様)が引き合って白色荷になりた
がる(メソン)と考えるんです。

プラス荷電粒子やマイナス荷電粒子は単独で観測できているのに、色荷の場
合には必ず白色荷粒子が観測されていることになりますね。電荷との違いを説
明したいと思います。強い力を伝えるボソンには「グルーオン」という名前が付
けられています。クォークはこのグルーオンを吸ったり吐いたりして結びついてい
ます。

さらにグルーオンも色荷を持っていて、グルーオンがグルーオンを吸ったり吐
いたりできることが実験で確認されているそうなんです。この事を踏まえて、
クォークの距離とグルーオンの量(=力の強さ)の関係を考えてみましょう。

2つのクォークが限りなく近い場合には、2つのクォーク間にはクォークが直
接やりとりしているグルーオンしかないと考えられます。2つのクォークの距
離が離れるほどそれに加えて、グルーオンが吸ったり吐いたりしているグルー
オンが増えていくと考えられます。

このことから、クォークの距離が離れるほどクォーク間に働く力が強くなるん
ですね。それゆえクォークはハドロンの中に閉じ込められ、外に出ることが出
来ないんです。

又、無理やり引きちぎることもできるけれども、その場合は分離されたクォー
クはすぐに反クォークと結びついて中間子をつくるそうなんです。(この部分
に関しては、私は完全には理解できていません。)

クォークが単独で観測できない理由はご理解いただけましたでしょうか?
必ず白色荷になったハドロンの状態で観測されてしまうんです。



だんだんと難しいお話しになってきましたね。私自身も「この理解でいいんだ
ろうか?」と思う点が出てきています。もし間違っている点がありましたら、
ぜひご教示ください。




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今回もこの本の内容を参考にしています。
 宇宙は何でできているのか (幻冬舎新書)





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