クォークはすべての物質の構成要素です

原子核を形成する粒子である陽子と中性子は、非常に小さいように見えるかもしれません。しかし科学者たちは、これらの素粒子自体はさらに小さな何か、と呼ばれる粒子で構成されていると言っています。

「そうですね、最も簡単に説明すると、クォークは物質、つまり私たちの周りにあるすべてのものの基本的な構成要素であるということだと思います。」と説明します。彼はロス アラモス国立研究所で高エネルギー物理学グループを設立した理論物理学者であり、現在は のシャナン特別教授です。 (彼は、物理世界の構造と成長を支配する数学的法則が生物生命体と人間社会にどのように適用されるかを描いた 2017 年のベストセラー『』の著者でもあります。)

メルボルン大学の素粒子物理学者タカスキー・クボタ氏が「ザ・カンバセーション」で述べているように、電子や他の電子と同様、クォークには構造がないようで、分割できないようです。

クォークは非常に小さいため、その推定サイズを表現しようとすることさえ気が遠くなります。ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン物理学教授のジョン・バターワース氏は、クォークの半径は陽子の半径の約2,000分の1であり、陽子の半径は砂粒の2.4兆分の1であると述べています。

クォークの存在は1964年に初めて提案された

クォークの存在は、素粒子物理学の発展における重要人物の 1 人であるカリフォルニア工科大学の理論物理学者によって 1964 年に初めて提案されました。の優勝者であるゲルマンは、陽子と中性子の性質を説明するには、それらがより小さな粒子で構成されている必要があることを発見しました。同時に、別のカリフォルニア工科大学の物理学者である も、同様に独立してこのアイデアを思いつきました。

クォークの存在は、1967 年から 1973 年にかけてスタンフォード線形加速器センターで確認されました。

ウェスト氏が説明するように、クォークの奇妙な点の 1 つは、クォークは観察できるが、分離できないことです。 「微妙な違いがあります」と彼は言う。 「電子が基本であるという点でそれらは電子に似ていますが、電子を使用すると、観察したり分離したりすることができます。電子を指すことができます。クォークの場合は、原子核から電子を取り出してテーブルの上に置くことはできません。それを調べてください。」

その代わりに、科学者は巨大な粒子加速器を使用して電子を加速し、それを使って原子核の深さを調べます。電子が内部に十分深く入ると、電子は になり、非常に洗練された検出器を使用して測定できます。 「私たちは、陽子と中性子が構成されているターゲットの中にあるものを再構築します」とウェスト氏は言います。 「これらの小さな点状の物体がクォークであることがわかります。」

クオークには6種類ある

クォークは、それが形成する陽子と比較しました。粒子は質量に基づいており、粒子には色と呼ばれる性質もあり、これは粒子がどのように結合しているかを説明する方法です。色は、クォークを結合する強い力の一種のメッセンジャーによって運ばれます。 (それらは に似ています。)

チームは、フランスとスイスの間の17マイル（27キロメートル）のトンネルにある巨大粒子加速器に設置された装置を使用して、クォークとグルーオンの間の強い相互作用を調査する計画を立てています。

「その目的は、陽子と鉛などの重イオンの構造をより深く理解し、飽和と呼ばれる新しい現象を研究することです」と研究を主導するカンザス大学物理学教授のクリストフ・ロヨン氏は説明する。メールで。 「2 つの陽子または 2 つのイオンが非常に高いエネルギーで衝突すると、その基礎構造であるクォークとグルーオンに敏感になり、グルーオンの密度が非常に高くなる領域を調べることができます。」

「例えるなら、ニューヨークの地下鉄が完全に混雑するピーク時間帯です」とロヨン氏は続けます。 「その場合、グルーオンは単一のアイデンティティとして行動するのではなく、混雑した地下鉄と同じように集団的な行動を示す可能性があります。誰かが転落すると、人々は互いに非常に近いので、誰もがそれを感じるでしょう。ある時点で、陽子や重イオンは、カラーガラス凝縮体と呼ばれる、ガラスのような固体物体のように振る舞うことができます。これが、私たちがLHCや米国の将来の電子イオン衝突型加速器で見たいものです。」

ロヨン氏は、この高密度のグルーオン物質の存在の証拠を見つけることができれば、クォークに関する最大の未解決の疑問の 1 つが解決されるだろうと述べています。 「これは物質の新たな状態だ」と彼は言う。 「相対論的重イオン衝突型加速器や大型ハドロン衝突型加速器ではすでにいくつかのヒントが現れていますが、まだ確かなことは何もありません。これは重要な発見となるでしょう。大型ハドロン衝突型加速器と電子イオン衝突型加速器はどちらもこれを観測するのに理想的な機械です。」

科学者たちはまた、クォークよりもさらに小さいものが存在するのではないかと考えています。 「疑問が生じますが、別のレベルはまだありますか?」西さんは言う。 「それに対する答えは私たちにも分かりません。」