クォークの質量比べ

今日は素粒子のなかでもクォークという素粒子の質量のお話.

人類はいまのところ, 原子は原子核と電子から成り立ち, 原子核は陽子と中性子から成り立ち, 陽子や中性子はアップクォークとダウンクォークから成り立っていることがわかっています.

そして, 電子とその仲間(レプトンという)とクォークの仲間は内部構造の無い素粒子だと考えられています.

実際, これらの素粒子の大きさについては〇〇よりは小さいということしか実験的にわかっていません. ただし, 質量についてはある程度測定がなされています.

物理屋さん達は素粒子の質量を \( \mathrm{eV} \) (電子ボルト, エレクトロンボルトと読む)という単位で質量を記述します.

特に使い勝手がいいのは \( 10^{6}\, \mathrm{eV} \) を意味する \( \mathrm{MeV} \) (メガエレクトロンボルト, 略してメヴと読む)という単位です. この単位を使うと, 電子の質量は約 \( 0.51 \, \mathrm{MeV} \),  陽子や中性子の質量は約 \( 940\, \mathrm{MeV} \) といった具合です[1].

下の表は \( \mathrm{MeV} \) を単位としたクォークの仲間たちの質量を有効数字二桁でまとめた一覧です.[2]

  電荷が電子の \( + \frac{2}{3} \) 倍  電荷が電子の \( – \frac{1}{3} \) 倍
  名前(記号) 質量( \( \mathrm{MeV} \) ) 名前(記号) 質量( \( \mathrm{MeV} \) )
第一世代 アップ( \( u \) ) \( 2.3 \) ダウン( \( d \) ) \( 4.8 \)
第二世代 チャーム( \( c \) ) \( 1300 \) ストレンジ( \( s \) ) \( 95 \)
第三世代 トップ( \( t \) ) \( 170000 \) ボトム( \( b \) )  \( 4200 \)

この表にある世代というのはクォークの仲間を質量の大きさ順に区別する用語だとでも思って下さい.

さて, 質量の大きさ(仮想的な)球に置き換えて描いたのが下図です. 本当は球の半径が質量に比例するように描きたかったのですが, あまりにも質量の大きさが違うので, 一枚絵におさまりきれませんでした.

なので, 球の体積が質量に比例するように描いています. (すなわち, 半径の3乗が質量に比例するように描いています.)

※これはあくまで質量球の大きさにおきかえたものです!素粒子の大きさはわかっていません!

それにしても, 随分と質量に差があるように感じますね. しかし, なぜこのような質量格差があるのかよくわかっていません.

不思議(;´・ω・).




補足    (↵ 本文へ)
  1. 実際には中性子のほうがわずかに質量が大きい.

  2. 素粒子の情報をまとめている Particle Data Group が発表した2015年の情報(http://pdg.lbl.gov/2015/tables/contents_tables.html)から値を持ってきました.

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