素粒子物理学の基礎
イアン・カミング/ゲッティイメージズ
基本的で分割できない粒子の概念は、 古代ギリシャ人 (「アトミズム」として知られる概念)。 20 世紀になると、物理学者は物質の最小レベルで起こっていることを調査し始めました。彼らの最も驚くべき現代の発見の 1 つは、宇宙のさまざまな粒子の量でした。 量子物理学 は18種類の素粒子を予測しており、すでに16種類が実験的に検出されています。素粒子物理学は、残りの粒子を見つけることを目的としています。
標準モデル
素粒子をいくつかのグループに分類する素粒子物理学の標準モデルは、現代物理学の中核です。このモデルでは、3 つの 物理学の 4 つの基本的な力 これらの力を媒介する粒子であるゲージボソンとともに説明されています。重力は技術的には標準モデルに含まれていませんが、理論物理学者はモデルを拡張して、 重力の量子論 .
素粒子物理学者が楽しんでいるように見えることが 1 つあるとすれば、それは粒子をグループに分割することです。素粒子は、物質とエネルギーの最小構成要素です。科学者が知る限り、それらはより小さな粒子の組み合わせから作られているようには見えません.
物質と力の分解
物理学におけるすべての素粒子は、次のいずれかに分類されます。 フェルミオン また ボソン .量子物理学は、粒子が固有の非ゼロの「スピン」を持っている可能性があることを示しています。 角運動量 、それらに関連付けられています。
フェルミ粒子 (名前は エンリコ・フェルミ ) は半整数のスピンを持つ粒子であり、ボゾン (サティエンドラ ナス ボーズにちなんで名付けられた) は整数または整数のスピンを持つ粒子です。これらのスピンは、特定の状況でさまざまな数学的アプリケーションをもたらします。整数と半整数を加算する簡単な数学は、次のことを示しています。
- 奇数のフェルミオンを組み合わせると、スピンの合計が半分の整数値のままになるため、フェルミオンになります。
- 偶数個のフェルミオンを組み合わせると、スピンの合計が整数値になるため、ボソンになります。
フェルミオン
フェルミ粒子は半整数値 (-1/2、1/2、3/2 など) に等しい粒子スピンを持っています。これらの粒子は、私たちが宇宙で観察する物質を構成しています.物質の 2 つの基本的な構成要素は次のとおりです。 クォーク そしてレプトン。これらの亜原子粒子は両方ともフェルミオンであるため、すべてのボソンはこれらの粒子の偶数の組み合わせから作成されます。
クォークは、次のようなハドロンを構成するフェルミ粒子のクラスです。 陽子 と 中性子 .クォークは、物理学の 4 つの基本的な力すべてを通じて相互作用する基本的な粒子です: 重力、 電磁気 、弱い相互作用、および強い相互作用。クォークは常に結合して存在し、ハドロンとして知られる素粒子を形成します。クォークには 6 つの異なるタイプがあります。
- ボトムクォーク
- ストレンジ・クォーク
- ダウンクォーク
- トップクォーク
- チャームクォーク
- アップクォーク
レプトンは、強い相互作用を経験しないタイプの基本粒子です。レプトンには次の 6 種類があります。
- 電子
- 電子ニュートリノ
- ミューオン
- ミューニュートリノ
- はい
- ニュートリノ数
レプトンの 3 つの「フレーバー」 (電子、ミューオン、およびタウ) のそれぞれは、「弱いダブレット」で構成されています。 ニュートリノ .したがって、電子レプトンは、電子と電子ニュートリノの弱い二重項です。
ボソン
ボソンには、整数 (1、2、3 などの整数) に等しい粒子スピンがあります。これらの粒子は、場の量子論の下で物理学の基本的な力を媒介します。
複合粒子
ハドロンは、スピンが半整数値になるように結合した複数のクォークで構成される粒子です。ハドロンは次のように分けられます。 中間子 (ボソン) とバリオン (フェルミオン) です。
- 中間子
- バリオン
- 核子
- ハイペロン: ストレンジ クォークで構成された寿命の短い粒子
分子は、複数の原子が結合した複雑な構造です。物質の基本的な化学構成要素である原子は、電子、陽子、および中性子で構成されています。陽子と中性子は、原子核である複合粒子を一緒に形成するバリオンの一種である核子です。原子がどのように結合してさまざまな分子構造を形成するかの研究は、現代科学の基礎となっています。化学.
粒子分類
素粒子物理学ですべての名前をそのままにしておくのは難しい場合があるため、動物の世界を考えてみると、そのような構造化された命名がより親しみやすく直感的なものになる可能性があります。人間は霊長類であり、哺乳類であり、脊椎動物でもあります。同様に、陽子は核子、バリオン、ハドロン、フェルミオンです。
不幸な違いは、用語が互いに似ているように聞こえる傾向があることです。たとえば、ボソンとバリオンを混同することは、霊長類と無脊椎動物を混同するよりもはるかに簡単です。これらの異なる粒子グループを本当に分離しておく唯一の方法は、それらを注意深く調べて、どの名前が使用されているかに注意を払うことです.
によって編集アン・マリー・ヘルメンスタイン博士