クォーク、

の発見20世紀は、物質が連続しているのではなく、小さな原子や分子でできていることの確認から始まりました。それは、物質がクォークと呼ばれるより小さな物体でさえも、部分的に作られていることの確認で終わった。

原子は原子核と電子で構成され、原子核は中性子と陽子で構成されています。しかし、1950年には陽子と中性子が物質の最終的な基本成分であると考えられていた。光子が電子と原子核を原子に結合させる電磁力のキャリアであったのと同じように、パイオンは陽子と中性子を集めて核を形成する強い力のキャリしかし、1962年までに多くの新しい予想外の粒子が発見されました。彼らは最初に多重項と呼ばれる家族にグループ化され、八倍の方法で記述されました。 1966年までに、新しい粒子のどれもが本当に基本的ではないことが明らかになった。中性子、陽子、およびパイ中間子は、電子と光子のように質的に異なっていませんでした; それらとバリオンと中間子と呼ばれる新しい強く相互作用する粒子はすべて、現在クォークと呼ばれる同じさらに小さなビルディングブロックで構

8倍の方法自体は、特定の多重項を見つけるべき理由がなかったため、困惑していました。化学元素のMendeleev表のように、それはいわゆる”物質の基本成分”を分類する方法を提供したが、その数はすべて基本的ではないことを示唆した。

1963年、Hayim GoldbergとYuval Ne’emanは、既知のすべての粒子は、現在はantiquarksと呼ばれる反粒子とともに、up(u)、down(d)、strange(s)クォークと呼ばれる同じ3つの構成要素から数学的に構

1964年、Murray Gell-MannとGeorge Zweigは、これらが実際には物質の基本的な構成要素であることを提案しました。しかし、深刻な困難が生じた。電子、中性子、陽子、パイ中間子はすべて、個々に検出して作成することができ、空間を通る経路を決定することができる孤立した粒子として実験的に発見しかし、現在の技術では、科学者はまだ個々のクォークを作成または研究することはできません。しかし、科学者たちは、物質が原子や分子で構成されていると、誰もが個別に作成または検出するずっと前にすでに信じていました。おそらく将来の発見は、クォークの作成と検出を可能にするでしょう。

誰が原子を発見したのか、誰がクォークを発見したのか、原子とクォークの現実がどのように確立されたのかという疑問に対する簡単な答えはありません。一つの可能な答えは、E.D.Hirsch Jr.The School We Need and Why We Don’t Have Them:”科学界は、科学研究における最も強力な信頼構築パターンの一つである正確な予測と一緒に、独立した収束（知的三角測量の一種）のパターンによって結論に達する。科学の歴史の中で、三つ以上の真に独立した手段によって達成された同じ結果が覆された例はほとんどまたはまったくありません”（p.159）。 Hirschは、この収束の例として、Abraham PaisのEinsteinの伝記を引用しています:

分子の現実に関する議論は、多くの異なる方法によって得られたNの値の異常な一致のために、一度、すべてのために解決されました。問題はＮの決定ではなくｎの過剰決定によってクリンチされた。放射能、ブラウン運動、空の青などの多様な被験者から、1909年までにNを測定するダースの独立した方法が互いに顕著な一致の結果をもたらしたと述べることが可能であった。

1966年、カリフォルニア州バークレーで開催された高エネルギー物理学に関する年次国際会議で招待されたレビューを行ったとき、この種の状況証拠はすでにリチャード-ダリッツをクォークでできていると確信していた。この証拠には、高エネルギー加速器で生成された粒子の性質に実験的に観測された規則性の存在、異なる種類の粒子間の衝突が単純に関連していること、異なる中間子とバリオンの電磁特性が単純に関連していること、観測された中性子と陽子の磁気モーメントの実験的比、陽子と反陽子の静止時の消滅がほぼ常に三つの中間子を生成していることが含まれていた。 Thesewereそうでなければ説明できず、同じ結論に収束しました: 中間子とバリオンは、同じ基本的なビルディングブロックから構築されました。この独立した収束は、最終的には、八重の方法で記述された多くの粒子のすべてが、以前に信じられていたように、物質の基本的な構成要素ではなく、それ自体がさらに小さな構成要素で構成されていることを誰もが確信させました。

多くの素粒子物理学者は、なぜクォークが一般的に受け入れられなかったのかを1970年代まで理解できませんでした。 Uクォークは電子の電荷の3分の2の正の電荷を持ち、dクォークとsクォークは電子の電荷の3分の1の負の電荷を持つ。これまでのところ、すべての既知の粒子は、電子の電荷とその反粒子の陽電子の整数倍である電荷の値を有する。分画的に荷電した粒子も孤立したクォークもこれまでに観測されていない。

すべての物質が構築される構成要素としてのクォークの存在についての状況証拠は、1966年以来ますます蓄積されてきました。継続的に発見されており、八重の方法で定義された多重項に収まるすべての粒子は、三つのクォークから構築されているか、単一のクォークと反クォークと呼ばれるクォークの単一の反粒子から構築されているかのように振る舞う。

個々のクォークの証拠の探索

1964年の最初のクォークの提案以来、実験者は電子の電荷よりも電荷が小さい粒子を探索してきました。しかし、どれも発見されていません。クォークの存在のためのすべての圧倒的な証拠は、彼らがクォークから構築されたことを示した中間子とバリオンの特性から来ました。

1970年代、陽子標的で高エネルギーの電子を撃つ実験は、電子が単一のクォークによって衝突し、散乱されているという証拠を生み出した。ここで再び証拠はまだ状況的でした。クォーク自体は観測されなかった。しかし、電荷を持つ点状の物体によって散乱された電子は、その運動方向を変化させ、そのエネルギーを明確に定義されたよく知られた方法で変化さ電子散乱実験における方向とエネルギーの変化を調べたところ，電子はクォークモデルによって予測された分数電荷を持つ陽子中の点状成分から散乱されることが分かった。

これらの実験は、特異なクォークが実際に存在することを確認するのに役立った。しかし、彼らは二つの新しい質問を提起しました。クォークは電子に非常に強く打たれ、非常に高いエネルギーと運動量を吸収しましたが、陽子からノックアウトされることはありませんでした。孤立した自由クォークは観測されなかった。これは、クォークが陽子の内部に非常に強い力によって束縛されていることを示しています。しかし、電子散乱データは、電子を散乱させる物体が自由粒子のようにエネルギーと運動量を伝達し、強い力によって拘束されている証拠はないことを示これら二つのパズルは新しい標準模型で明らかにされ，閉込めと漸近自由の名前が与えられた。

クォークを結合して中間子とバリオンに結合する力は、大きな距離では非常に強いため、クォークを近隣から分離するには膨大なエネルギーが必要です。陽子中のクォークが新しい粒子を生成するのに十分なエネルギーで打たれると、新しいクォーク-反クォーク対が生成される。作成されたantiquarkは、その後、パイ中間子または他の中間子を作成するために打たクォークと結合し、作成されたクォークは、元の陽子の他の成分に戻ります。陽子のクォークを打つことによって生成されるエネルギーは、陽子からそれ自体でクォークを駆動することはありません; クォークは、大きなエネルギー移動によって生成された反クォークをピックアップし、中間子として消える。したがって、孤立したクォークは高エネルギー衝突の積として観測されることはなく、むしろ衝突で作成されたパートナーを常に見つけ、それらと結合して中間子とバリオンを形成する。したがって、それらは常に中間子またはバリオンに束縛されて閉じ込められており、孤立した自由クォークとして観測されることはない。

高エネルギー衝突を用いた最近の実験では、衝突したクォークがクォーク-反クォーク対をどのようにして作成し、中間子とバリオンの連鎖を作成するかが示されている。打たれたクォークは中間子を形成するために作成されたantiquarkと結合し、新しい作成されたantiquarkなどを求めるためにantiquarkのクォークパートナーを残します。これは、最初の陽子から打たれたクォークまたは先行クォークに出る粒子の”ジェット”として実験の検出器に現れる。

私たちの日常の経験からこのジェット現象に類似しているのは雷です。雲上の電荷が十分に大きくなると、空気原子に対する強い力は非常に大きくなり、正に帯電したイオンと負に帯電したイオンに分割されます。雲が負に帯電している場合、それは正のイオンを引き付け、負のイオンを残して新しいパートナーを探し、雷として見える空気を通って鎖または”ジェット”

標準モデルでは、これらの強い力がクォークの電荷に関する情報を与える電子散乱実験をどのように妨害しないかを説明しています。量子色力学（QCD）と呼ばれる場の理論では、クォーク間の力は長距離では非常に強くなるが、短距離では非常に弱くなり、高エネルギー電子散乱では完全に無視できるということが述べられている。この短距離動作と長距離動作の違いは、漸近的自由度と呼ばれます。

クォーク画像を支持する状況証拠

クォークの存在を支持する多くの状況証拠があります: 粒子の電荷，スピン，磁気モーメントの実験値とクォークモデルの予測との一致は顕著な証拠を提供した。

電荷の値が+πと-πの三つのクォークから作られたバリオンの電荷は、+2、+1、0、-1のみになります。クォークとその電荷共役反クォークから作られた中間子の電荷は、1、0、および-1にしかなりません。多くの何百もの粒子が今知られており、これまでのところすべてが電荷のためにこれらの値だけを持っています。

粒子の回転運動と小さな磁石と同様の挙動の表示は、その構造に対する重要な手がかりを提供しました。回転する帯電したトップは磁石のように動作します。その磁気モーメントと呼ばれる電子の小さな磁石の強さは、Paul Diracの有名な理論と方程式によって首尾よく記述されました。

陽子と中性子の磁気モーメントは、それらが素粒子ではなく、より複雑な構造を持っていることを最初に示しました。中性子は電荷を持たないが、回転する負電荷で作られた磁石のように振る舞う。これは、中性子が電荷を持たない基本物体ではなく、正電荷と負電荷の両方が反対方向に回転する小さなビルディングブロックからなることを示唆している。プロトン磁気モーメントはディラックの理論で記述されたものよりもはるかに大きい。

クォークモデルの最初の成功の一つは、それぞれのクォークスピンと磁気モーメントの寄与を加算することによって、粒子スピンと磁気モーメントの正しい実験値がどのように得られたかを示していた。三つのクォークからなるバリオンは、スピンが平行であれば電子または陽子のスピンの三倍のスピンを持ち、一方のスピンが他の二つのスピンと反対であれば電子スピンに等しいスピンを持つことになる。クォークと反クォークからなる中間子は、スピンが平行であれば電子スピンの二倍に等しいスピンを持ち、反対であればゼロスピンを持つ。すべての測定された粒子のスピンはこの写真に合っています。

陽子と中性子の磁気モーメントの値を得るには、まず陽子が平行なスピンを持つ二つのuクォークと反対のスピンを持つ一つのdクォークからなることに注意する必要がある。 Uクォークとdクォークは電荷の反対の兆候を持ち、それらの磁石は反対方向に回転しているときに同じ方向を指します。各クォークの磁気モーメントはその電荷に比例する。したがって、電荷+πを持つ陽子の二つのuクォークはそれぞれ磁気モーメントの+πディラック単位を寄与し、電荷-πを持つdクォークは反対方向に回転し、-πディラック単位を寄与する。粗近似では、これらを加えて陽子磁気モーメントを+5/3ディラック単位として得る。中性子は、電荷-π単位と平行スピンを持つ二つのdクォークと、電荷-π単位と反対のスピンを持つ一つのuクォークを持ち、-4/3ディラック単位の中性子磁気モーメントを与える。これは、陽子と中性子の磁気モーメントの比に対して-5/4を与える。スピンの量子力学的加算を用いたより正確な計算は-3/2を与え、これは実験値-1.46と非常によく一致する。中性子モーメントと陽子モーメントの和はπディラック単位である。クォークディラック単位の値に対する合理的な仮定は、0.33の実験値を与える。

これは、クォークが物質の正しい構成要素であるという信念を裏付ける状況証拠の蓄積の典型である。まず、中性子と陽子と他のすべての粒子の電荷が正しく出てきます。次に，中性子と陽子の磁気モーメントに対するスピンと非常に正確な正しい値を説明した。これらはすべて、粒子が「あたかもクォークから作られたかのように振る舞う」という絵を確認しています。”彼らの電気、磁気、スピンは、これらのビルディングブロックから構築されていない場合は理解することは非常に難しいだろう。例えば、電荷を持たない中性子が電荷を持つ陽子に似た磁気モーメントを持つ理由、または中性子がクォークモデルによって予測される陽子モーメントと正

これは、クォークがすべての物質の基本的な構成要素であるという結論を支持する状況証拠の一例に過ぎない。素粒子物理学のすべての理論的および実験的研究を導く標準モデルは、孤立した個々のクォークが観測されたことがないにもかかわらず、この知識から始

も参照してください：八倍の方法;標準モデル;対称性の原則