強い核力は、ご想像通り、本当にとても強い力です。 あまりに強力なので、宇宙の最も小さな粒子を非常に長い期間、おそらくは永遠に引き離すことができます。 強い力で結ばれた粒子は、陽子や中性子といった、私たちの日常を構成する要素を形成しています。 しかし、陽子や中性子を切り開いてみると、素粒子がきれいに単純に並んでいるわけではありません。 その代わりに、おそらく宇宙で最も複雑な力の1つである素粒子の嫌な中身を見ることになるのです。
強い力が作ることができるのは陽子と中性子だけではありませんが、他のもっと複雑でエキゾチックな配列については、私たちはよく理解していません。 さらに言えば、私たちの観測や実験でさえ、それ自体が非常に大雑把なものなのです。 しかし物理学者たちは、この自然界の基本的な力についての洞察をまとめようと懸命に努力しています。 物理学における最大の未解決ミステリー
強くて複雑
強い力を説明するには、もっと有名な従兄弟である電磁気力と対比させるとよいでしょう。 電磁気力では、物事は単純で簡単でわかりやすく、1900 年代の科学者はほとんどそれを理解することができたほどです。 電磁気力では、電荷と呼ばれる性質を持っていれば、どんな粒子でもパーティーに参加することができます。 電荷を持てば、電磁気力を感じ、反応するようになるのです。
もうひとつの粒子、光の粒子（光子としても知られている）は、帯電した粒子から別の粒子へ電磁力を伝達する仕事をします。 光子自身は電荷を持たず、質量もない。 光子は光速で宇宙を往復し、電磁気を発生させている。 電磁気力の一担体。 シンプルでわかりやすい。
これに対して、強い核力を受ける粒子は6つある。 グループとして、それらはクォークと呼ばれ、アップ、ダウン、トップ、ボトム、ストレンジ、チャームなど、十分に風変わりな名前を持っています。 強い核力を感じ、それに反応するために、これらのクォークはそれ自身の電荷を持っている。 電荷ではありませんが（電荷もあり、電磁力も感じますが）、物事を本当に混乱させるさまざまな理由から、物理学者はこの強い核力に関連する特別な電荷を色電荷と呼びます。
そこで、クォークは強い力を感じますが、その力は他のたくさんの粒子、正確には8つの粒子によって運ばれます。 これらはグルーオンと呼ばれ、クォーク同士をくっつけるという、実に素晴らしい働きをしています。 グルーオンはまた、独自の色電荷を帯びる能力と欲求を持っています。 7519>
6つのクォークと8つのグルーオンです。
クォークは色の電荷を変えることができ、グルーオンも変えることができます。
これらのことは、強い核力が、その電磁力よりもはるかに複雑で入り組んでいることを意味します。 物理学者は、クォークとグルーオンのこの特性を、気が向いたから「色電荷」と呼んだのではなく、それが有用なアナロジーとして機能するからです。 赤、青、緑の光を足すと白い光になるように、すべての色を足すと白になる限り、グルーオンとクォークは結合してより大きな粒子を作ることができます。 最も一般的な組み合わせは、赤、緑、青をそれぞれ1つずつ持つ3つのクォークです。 しかし、ここで少し厄介なことに、個々のクォークには、どの瞬間にもどの色も割り当てられるのです。重要なのは、正しい組み合わせを得るためのクォークの数なのです。 つまり、3つのクォークからなるグループを作って、おなじみの陽子と中性子を作ることができるのです。 また、クォークと反クォークが結合して、色が相殺され（緑と反緑のように）、中間子と呼ばれる粒子ができます。
理論的には、クォークとグルーオンを足して白にするような組み合わせは、自然界では技術的に可能なのです。
テトラクォークは、技術的には1つの粒子で結合している必要はありません。
テトラクォークは、技術的には1つの粒子で結合している必要はなく、単に互いの近くに存在し、ハイドロニック分子と呼ばれるものを作ることができます。 グルーオン自体は、粒子を作るためにクォークを必要としないかもしれません。 グルーン自体は、粒子を作るためにクォークを必要としないかもしれません。 それをグルーボールと呼びます。 強い核力が許容するすべての結合状態の範囲をクォーコニウムスペクトルと呼びますが、これはSFテレビ番組の脚本家が作った名前ではありません。 クォークとグルーオンには、存在するかもしれない、あらゆる種類のクレイジーな潜在的組み合わせがあるのです。
物理学者は、Baber 実験や大型ハドロン衝突型加速器での実験のように、数十年前から強い核力の実験を行い、何年もかけてゆっくりと高いエネルギー レベルを構築し、クォークニウム スペクトルを深く深く掘り下げています (このフレーズをどんな文章やカジュアルな会話にも使用する許可を得てください。それほど素晴らしいフレーズです)。 これらの実験で、物理学者は多くのエキゾチックなクォークとグルーオンの集まりを発見している。 実験家たちはそれらに χc2(3930) のようなファンキーな名前をつけています。
これらのエキゾチックな潜在的粒子は一瞬しか存在しませんが、多くの場合、決定的に存在します。 しかし、物理学者は、これらの短期間生成された粒子を、テトラクォークやグルーボールのような、存在すると思われる理論的な粒子と結びつけるのに苦労しています。 電磁力とは異なり、強い核力に関わる確実な予測を立てるのは非常に困難です。 それはクォークとグルーオンの間の複雑な相互作用のせいだけではありません。 エネルギーが非常に高くなると、強い核力の強さは弱まり始め、計算が単純化されるのです。 しかし、クォークとグルーオンが結合して安定した粒子を作るのに必要なエネルギーのように、低いエネルギーでは、強い核力は実際に、とても強いのです。 この強さが増すと、計算が難しくなります。
理論物理学者はこの問題に取り組むためにたくさんの技術を考え出しましたが、その技術自体が不完全であったり、非効率的であったりします。 クアルコニウム スペクトルの中にこれらのエキゾチックな状態のいくつかが存在することはわかっていますが、その特性や実験的なサインを予測することは非常に困難です。
それでも、物理学者はいつものように懸命に働いています。 ゆっくりと時間をかけて、衝突型加速器で生成されたエキゾチック粒子のコレクションを構築し、理論的なクォーコニウム状態がどのように見えるべきかについて、より良い予測を立てています。 この奇妙な、しかし私たちの宇宙における基本的な力について、より完全なイメージを与えてくれます。
Paul M. Sutter はオハイオ州立大学の宇宙物理学者で、Ask a Spaceman と Space Radio のホスト、そして Your Place in the Universe の著者です。 なぜ粒子はフレーバーを持っているのか？ | Live Science
原文はLive Scienceに掲載されています。
