ハドロンとは?
全ての物質が物質粒子であるクォークとレプトンからできていることはすでにお話ししました。もう一度おさらいしてみると、物質を細かく割っていくと、分子になり、さらに細かくしていくと原子になり、その原子はさらに小さな原子核とそのまわりを飛び回る電子からできているのでした。電子はレプトンの仲間で、本当の素粒子ですが、原子核はさらに細かく割っていくことができて陽子と中性子になります。陽子と中性子が素粒子かというと、これらにはまだ構造があって、実はクォークからできているのでした。ここでは陽子や中性子の仲間であるハドロンについて考えてみましょう。ハドロンにはバリオン(3つのクォークから成る)とメソン(クォークと反クォーク対)とがあります。

バリオンとは?
赤、緑、青の3色のクォークを集めると、光の3原色と同じように白色の状態ができあがります。これは、カラーを持たない状態なので、外に色力線をおよぼさない、つまり、強い力をまわりにおよぼさない比較的安定な状態になります。このようにクォーク3つでできた、白色の状態をバリオンといいます。陽子はuクォーク2つとdクォーク1つからできたバリオンの1種ですし、中性子はdクォーク2つとuクォーク1つからできたバリオンの1種です。同様に反クォーク3つでも白色状態が作れますがごれはバリオンの反粒子、反バリオンになります。反陽子や反中性子は、対応する反クォークでできています。

メソン(中間子)とは?
クォークと反クォークを組み合わせても、白色状態を作ることができます。これは1つの色とその補色を組み合わせて白色を作ることに対応します。このようにクォークと反クォークを組み合わせてできる白色状態をメソン(中間子)と呼びます。湯川の予言したパイ中間子は、uまたはdクォークとその反クォークの組み合わせでできています。メソンの反粒子はやはりクォークと反クォークの組み合わせになりますが、組み合わせによって、その反粒子が自分自身と一致する場合もあります。

バリオンやメソンは全体として白色状態にあり、離れたところには、色力線をおよぼしませんが、バリオンやメソンの大きさ程度まで近づいてくると、それらを形作るクォークや反クォーク、また、グルーオンのもつカラーがちらりと見えてきます。そのため、バリオンやメソンの間には強い力が働きます。このように、全体として白色状態にあっても、互いに近づくと強い力をおよぼすような複合粒子をハドロンとよんでいます。

なぜハドロンはいっぱいあるのか?
バリオンや、メソンは、それを作るクォークや反クォークの組み合わせの違いだけでなく、それらのクォークや反クォークがバリオンやメソンの中でどのような運動をしているかによって多くの異なった状態を作り出すことができます。これらの運動には振動や回転が考えられますが、運動にはすべて運動エネルギーがともないます。ところがアインシュタインの関係式

E = mc2

によって、エネルギーは質量と等価なので、内部運動のエネルギーの違いは、外から見ると、粒子の質量の違いとなって現れます。これが、20世紀後半の加速器実験の幕開けとともに、数百種類にも上る質量の異なるハドロンが発見された理由です。

当時は、3種類のクォークがあると考えられていましたが、たった3つのクォークの、バリオンあるいはメソンというたった2種類の構成によって、数百のハドロンを分類し、その性質を予測できることは、革命的な進展でした。

さて、それではハドロンの研究は終わったのでしょうか?先ほど3つのクォークが集まってできたバリオンとクォークと反クォークからできたメソンの説明をしましたが、白色状態はそれ以外にも作れそうです。とくにグルーオンを組み合わせてできるような粒子はないのでしょうか?

クォークのカラーと光の3原色
クォークとレプトンはどちらも素粒子ですが、クォークが強い力を感じるのに対して、レプトンは強い力を感じません。この強い力はグルーオンと呼ばれる力の粒子によって運ばれるのでした。クォークには色荷(カラー)と呼ばれる3種類の電荷のようなものがあって、通常、赤、緑、青と分類しますが、いわゆる目に見える色とは関係ありません。ただし、これを光の3原色になぞらえて考えると良く似ていて分かりやすいのです。

例えば、赤、緑、青のクォークの反粒子である反クォークは、シアン(反赤)、マゼンタ(反緑)、黄色(反青)のカラーを持ちます。クォークと反クォークは、対消滅して力の粒子のグルーオンになりますが、このときカラーが保存されるので、クォークと反クォークの色の組み合わせだけグルーオンの状態があることになります。つまり、3x3=9ですが、このうち1つの組み合わせは白色で力を運ばないため、グルーオンの状態には3x3−1=8種類があることになります。






ハドロンとは?
クォークの閉じこめ
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陽子・中性子(ハドロン)
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