核子

ここでは、原子核が2種類の核子、陽子（赤）と中性子（青）の密集した束として示されています。この図では、陽子と中性子は別々に示されています。これは例えば化学における従来の見方です。しかし、現代の原子核物理学で理解されているように、実際の原子核では、核子は部分的に非局在化し、量子色力学の法則に従って自己組織化しています。

物理学と化学において、核子は陽子または中性子のいずれかであり、原子核の構成要素としての役割を担っています。原子核内の核子の数は、原子の質量数を定義します。

1960年代まで、核子は素粒子であり、小さな部分から構成されているとは考えられていませんでした。現在では、核子は3つのクォークが強い相互作用によって結合した複合粒子であると理解されています。2つ以上の核子間の相互作用は核子間相互作用または核力と呼ばれ、これも最終的には強い相互作用によって引き起こされます。（クォークが発見される前は、「強い相互作用」という用語は核子間相互作用のみを指していました。）

核子は、素粒子物理学と原子核物理学が重なり合う境界に位置します。素粒子物理学、特に量子色力学は、クォークと強い相互作用の特性を記述する基本方程式を提供します。これらの方程式は、クォークがどのようにして陽子と中性子（および他のすべてのハドロン）に結合するかを定量的に記述します。しかし、複数の核子が原子核（核種）に組み立てられると、これらの基本方程式を直接解くのは非常に困難になります（格子 QCD を参照）。代わりに、核種は原子核物理学の範囲内で研究され、核子とその相互作用は、原子核殻モデルなどの近似とモデルによって研究されます。これらのモデルは、たとえば特定の核種が放射性崩壊を起こすかどうかなど、核種の特性をうまく記述できます。

陽子と中性子は、フェルミオン、ハドロン、重粒子という3つのカテゴリーに同時に属します。陽子は正の正味電荷を持ち、中性子は正味電荷がゼロです。陽子の質量は中性子の質量よりわずか0.13%ほど小さいだけです。したがって、これらは同じ核子の2つの状態と見なすことができ、一緒にアイソスピン二重項（I = ⁠）を形成します。1/2⁠ ）。アイソスピン空間では、 SU(2)対称性によって中性子は陽子に変換され、またその逆も可能である。これらの核子は強い相互作用によって等しく作用するが、この相互作用はアイソスピン空間での回転に対して不変である。ノイマンの定理によれば、アイソスピンは強い相互作用に対して保存される。 [ 1 ] : 129–130

概要

プロパティ

核子のクォーク構成
プロトン
陽子 ( p ): u u d
中性子
中性子（n）：u d d
反陽子
反陽子（p）：u u d
反中性子
反中性子（n）：u d d
陽子 (p) は2つのアップクォーク (u) と1つのダウンクォーク (d) で構成されています: uud。中性子 (n) は1つのアップクォーク (u) と2つのダウンクォーク (d) で構成されています: udd。反陽子( p ) は2つのアップ反クォーク( u ) と1つのダウン反クォーク ( d ) で構成されています: u u d。反中性子( n ) は1つのアップ反クォーク ( u ) と2つのダウン反クォーク ( d ) で構成されています: u d d。個々のクォークの色電荷(色の割り当て) は任意ですが、3色 (赤、緑、青) がすべて存在する必要があります。

陽子と中性子は、原子核の構成要素である核子としての役割で最もよく知られていますが、自由粒子としても存在します。自由中性子は不安定で、半減期は約13分ですが、重要な用途があります（中性子放射線と中性子散乱を参照）。他の核子に結合していない陽子は、電子と結合している場合は水素原子の核となり、何も結合していない場合はイオンまたは宇宙線となります。

陽子と中性子はどちらも複合粒子であり、それぞれが3つのクォークという小さな部分から構成されています。かつてはそう考えられていましたが、現在はどちらも素粒子ではありません。陽子は2つのアップクォークと1つのダウンクォークで構成され、中性子は1つのアップクォークと2つのダウンクォークで構成されています。クォークは強い力、あるいはそれと同等のグルーオンによって結合しており、グルーオンはクォークレベルで強い力を媒介します。

アップクォークは電荷を持っている⁠++2/3⁠  e、ダウンクォークは電荷を持ちます⁠−+1/3⁠  eなので、陽子と中性子の電荷の合計はそれぞれ + eと 0 です。[ a ]したがって、中性子の電荷は 0 (ゼロ) なので、電気的に中性です。実際、「中性子」という用語は、中性子が電気的に中性であるという事実に由来しています。

陽子と中性子の質量はほぼ同じです。陽子の場合は1.6726 × 10 −27  kg (938.27  MeV/ c 2）、中性子の場合は1.6749 × 10 −27  kg (939.57  MeV/ c 2）であり、中性子は約0.13%重い。質量の類似性は、核子を構成するアップクォークとダウンクォークの質量のわずかな差によって大まかに説明できる。しかし、詳細な説明は素粒子物理学における未解決の問題である。[ 1 ] : 135–136

核子のスピンは⁠1/2⁠、つまりそれらはフェルミオンであり、電子と同様にパウリの排他原理に従います。つまり、例えば原子核内の1つの核子以上が同じ量子状態を占めることはできません。

核子のアイソスピン量子数とスピン量子数はそれぞれ2つの状態を持ち、合計4つの組み合わせが存在します。アルファ粒子は、4つの組み合わせすべてを占める4つの核子で構成されます。つまり、2つの陽子（反対のスピンを持つ）と2つの中性子（これも反対のスピンを持つ）を持ち、その正味の核スピンはゼロです。より大きな核では、構成核子はパウリの排他律により相対運動を強いられ、これが軌道量子数を介して核スピンに寄与することもあります。それらは、化学で知られている 電子殻に類似した核殻に広がっています。

陽子と中性子はどちらも磁気モーメントを持っていますが、核子の磁気モーメントは異常であり、1930年代に発見された当時は予想外のものでした。陽子の磁気モーメント（記号μ p ）は、2.79  μ Nであるのに対し、陽子が素ディラック粒子であれば、その磁気モーメントは1.0  μ N。ここで磁気モーメントの単位は原子磁気子（記号μ N ）であり、これは原子スケールの測定単位である。中性子の磁気モーメントはμ n =−1.91  μNですが、中性子は電荷を持たないため、磁気モーメントを持たないはずです。中性子の磁気モーメントの値は負です。これは、モーメントの方向が中性子のスピンと反対だからです。核子の磁気モーメントは、核子のクォーク構造に由来します。[ 2 ] [ 3 ]陽子の磁気モーメントは、 NMR/MRIスキャンに利用されています。

安定性

自由状態にある中性子は不安定な粒子であり、半減期は約10分である。[ PDG 1 ] β−中性子は、電子と電子反ニュートリノを放出しながら陽子に変わることによって崩壊する（放射性崩壊の一種） 。この反応は、中性子の質量が陽子の質量よりわずかに大きいために起こる（中性子崩壊を参照）。素粒子物理学の標準モデルでは、孤立した陽子は安定していると予測されている[ 4 ] : 4 大統一理論などのより推測的なモデルでは、陽子は不安定であると予測されている。[ 5 ] : 2 このことから、日本のスーパーカミオカンデのような陽子崩壊を測定しようとする実験が行われている。このような崩壊を検出できなかったため、陽子の寿命は10の34年を超えるとされている。[ 6 ]

一方、原子核内部では、陽子と中性子（核子）の結合体は、核種（核種）によって安定または不安定になる。[ 7 ]一部の核種内部では、中性子は上記のように陽子（他の粒子を生成する）に変化する。また、他の核種内部ではその逆も起こり、陽子はβ反応によって中性子（他の粒子を生成する）に変化する。+崩壊または電子捕獲。また、他の核種の内部では、陽子と中性子はどちらも安定しており、形を変えません。

反核子

両方の核子には、対応する反粒子である反陽子と反中性子が存在します。これらはそれぞれ陽子と中性子と同じ質量と反対の電荷を持ち、同じように相互作用します。（これはCPT対称性により、一般的には全く正しいと考えられています。もし違いがあったとしても、これまでのすべての実験で測定するには小さすぎます。）特に、反核子は「反核」に結合することができます。これまでに、科学者たちは反重水素[ 8 ] [ 9 ]と反ヘリウム3 [ 10 ]の核を作り出しました。

詳細なプロパティの表

核子

核子 ( I = ⁠1/2⁠ ; S = C = B = 0)
粒子名 シンボル クォーク含有量 質量[a]私3JP​質問磁気モーメント[ μ N ] 平均寿命一般的には
陽子[ PDG 2 ]p / p+/いいえ+あなたあなたd938.272 013 (23)  MeV/ c 21.007 276 466 77 (10) ダ+ ⁠1/2⁠⁠1/2⁠ ++1  e2.792 847 356 (23)安定した[b]観察されていない
中性子[ PDG 1 ]n / n0/いいえ0u d d939.565 346 (23)  MeV/ c 21.008 664 915 97 (43) ダ⁠−+1/2⁠⁠1/2⁠ +0  e−1.913 042 73 (45)885.7(8)  s [c]p + e−+ νe
反陽子p / p−/いいえ−あなたあなたd938.272 013 (23)  MeV/ c 21.007 276 466 77 (10) ダ⁠−+1/2⁠⁠1/2⁠ +−1  e−2.793(6)安定した[b]観察されていない
反中性子n / n0/いいえ0u d d939.485(51)  MeV/ c 21.008 664 915 97 (43) ダ⁠++1/2⁠⁠1/2⁠ +0  e? 885.7(8)  s [c]p + e++ νe

^a 陽子と中性子の質量は、定義方法の違いから、 MeV/c2ダルトン931.494 028 (23) MeV/ c 2 . ^b 少なくとも10 35年。陽子崩壊を参照。^c自由中性子 の場合。ほとんどの一般的な原子核では、中性子は安定している。

反粒子の質量は同一であると仮定されており、これまでのところこれを反証する実験はない。現在の実験では、陽子と反陽子の質量の相対的な差は、2 × 10 −9 [ PDG 2 ]であり、中性子と反中性子の質量の差は約(9 ± 6) × 10 −5  MeV/ c 2。[ PDG 1 ]

陽子-反陽子CPT不変性テスト
テスト 式 PDG結果[ PDG 2 ]
質量<2 × 10 −9
電荷質量比0.999 999 999 91 (9)
電荷質量比 (−9 ± 9) × 10 −11
充電 <2 × 10 −9
電子電荷 <1 × 10 −21
磁気モーメント (-0.1 ± 2.1) × 10 -3

核子共鳴

核子共鳴は核子粒子の励起状態であり、多くの場合、クォークの1つのスピン状態が反転しているか、粒子が崩壊する際に軌道角運動量が異なる状態に対応します。この表には、粒子データグループ（PDG）で3つ星または4つ星の評価を受けた共鳴のみが含まれています。これらの粒子は寿命が非常に短いため、多くの特性が未だ研究中です。

記号の形式はN( m ) LIJで与えられ、ここでmは粒子のおおよその質量、Lは核子-中間子対の崩壊時に生成される軌道角運動量（分光学的記法）、IとJはそれぞれ粒子のアイソスピンと全角運動量である。核子は⁠1/2アイソスピンの場合、最初の数字は常に1で、2番目の数字は常に奇数です。核子共鳴について議論する際には、Nが省略され、順序が逆のL IJ ( m )の形で表記されることがあります。例えば、陽子は「N(939) S 11」または「S 11 (939)」と表記されます。

以下の表は基本共鳴のみを示しています。各エントリは4つの 重粒子、つまり2つの核子共鳴粒子とその2つの反粒子を表しています。各共鳴は、陽子と同様にu u dのクォーク構成を持つ正電荷（Q）の形態と、中性子と同様にu d dのクォーク構成を持つ中性形態、およびそれぞれu u dとu d dの反クォーク構成を持つ対応する反粒子として存在します。これらの粒子にはストレンジクォーク、チャームクォーク、ボトムクォーク、トップクォークが含まれていないため、ストレンジネスなど を持ちません。

表にはアイソスピンを持つ共鳴のみが記載されている= ⁠1/2⁠ .アイソスピン= ⁠との共鳴の場合3/2⁠、デルタ重粒子に関する記事を参照してください。

I = ⁠との核子共鳴1/2⁠
シンボル  JP​  PDG平均質量（MeV / c 2） 全幅（MeV/ c 2） ポールポジション（実数部） ポールポジション（−2 × 虚数部） 一般的な崩壊(Γ i /Γ > 50%)
N(939) P 11 [ PDG 3 ] † ⁠1/2⁠ +939 † † † †
N(1440) P 11 [ PDG 4 ]（ローパー共鳴） ⁠1/2⁠ +1440年（1420年～1470年） 300 （200～450） 1365年（1350～1380年） 190 (160–220) N + π
N(1520) D 13 [ PDG 5 ]⁠3/2⁠ −1520年（1515～1525年） 115 (100–125) 1510年（1505～1515年） 110 （105～120） N + π
N(1535) S 11 [ PDG 6 ]⁠1/2⁠ −1535年（1525年～1545年） 150 (125–175) 1510年（1490年～1530年） 170 （90～250） N + πまたはN + η
N(1650) S 11 [ PDG 7 ]⁠1/2⁠ −1650年（1645年～1670年） 165 (145–185) 1665年（1640年～1670年） 165 (150–180) N + π
N(1675) D 15 [ PDG 8 ]⁠5/2⁠ −1675年（1670～1680年） 150 (135–165) 1660年（1655～1665年） 135 (125–150) N + π + πまたはΔ + π
N(1680) F 15 [ PDG 9 ]⁠5/2⁠ +1685年（1680～1690年） 130 （120～140） 1675年（1665年～1680年） 120 (110–135) N + π
N(1700) D 13 [ PDG 10 ]⁠3/2⁠ −1700年（1650～1750年） 100 （50～150） 1680年（1630年～1730年） 100 （50～150） N + π + π
N(1710) P 11 [ PDG 11 ]⁠1/2⁠ +1710年（1680～1740年） 100 （50～250） 1720年（1670～1770年） 230 (80–380) N + π + π
N(1720) P 13 [ PDG 12 ]⁠3/2⁠ +1720年（1700～1750年） 200 （150～300） 1675年（1660～1690年） 115～275 N + π + πまたはN + ρ
N(2190) G 17 [ PDG 13 ]⁠7/2⁠ −2190年（2100～2200年） 500 （300～700） 2075年（2050～2100年） 450 (400–520) N + π (10〜20%)
N(2220) H 19 [ PDG 14 ]⁠9/2⁠ +2250年（2200～2300年） 400 （350～500） 2170年（2130～2200年） 480 (400–560) N + π (10〜20%)
N(2250) G 19 [ PDG 15 ]⁠9/2⁠ −2250年（2200～2350年） 500 (230–800) 2200年（2150～2250年） 450 (350–550) N + π (5〜15%)

† P 11 (939) 核子は、通常の陽子または中性子の励起状態を表す。このような粒子は、例えばリチウム6のような原子核内では安定である可能性がある。[ 11 ]

クォークモデルの分類

SU(2)フレーバーのクォーク模型では、2つの核子は基底状態の二重項の一部です。陽子のクォーク量はuud、中性子のクォーク量はuddです。SU (3)フレーバーでは、これらはスピン-の基底状態の八重項( 8 )の一部です。⁠1/2⁠重粒子は八重項として知られる。この八重項の他の要素は、ハイペロン、ストレンジアイソトリプレット、Σである。+、Σ0、Σ−、Λと奇妙なアイソダブレットΞ0、Ξ−この多重項をSU(4)フレーバー（チャームクォークを含む）で基底状態の20 -プレットまで拡張することも、SU(6)フレーバー（トップクォークとボトムクォークを含む）で基底状態の56 -プレットまで拡張することもできます。

アイソスピンに関する記事では、クォークのフレーバー固有状態の観点から核子の波動関数を明示的に表現しています。

モデル

核子が3つのクォークから構成されていることは知られているものの、2006年現在、量子色力学の運動方程式を解く方法は分かっていません。そのため、核子の低エネルギー特性の研究はモデルを用いて行われています。利用可能な唯一の第一原理アプローチは、格子QCDを用いてQCDの方程式を数値的に解くことです。これには複雑なアルゴリズムと非常に強力なスーパーコンピュータが必要です。しかしながら、いくつかの解析モデルも存在します。

スカイミオンモデル

スキルミオンは、核子を非線形SU(2)パイ中間子場における位相ソリトンとしてモデル化する。スキルミオンの位相安定性は、重粒子数の保存、すなわち核子の非崩壊性として解釈される。局所的な位相的巻線数密度は、核子の局所的な重粒子数密度と同一視される。パイ中間子のアイソスピンベクトル場がヘッジホッグ空間の形状に配向されているため、このモデルは容易に解けるため、ヘッジホッグモデルと呼ばれることもある。ヘッジホッグモデルは、核子の質量、半径、軸結合定数などの低エネルギーパラメータを実験値の約30%の精度で 予測することができる。

MITバッグモデル

MITバッグモデル[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]は、量子色力学を通じて相互作用するクォークとグルーオンを、クォークとグルーオンによる圧力と、真空が全ての色付き量子場に及ぼす仮想的な圧力とのバランスによって決まる空間領域に閉じ込める。このモデルの最も単純な近似では、相互作用しない3つのクォークを球状の空洞に閉じ込め、境界条件としてクォークベクトルカレントが境界上で消滅する。クォークを相互作用しないものとして扱うことは漸近的自由の考え方によって正当化されるが、硬い境界条件はクォークの閉じ込めによって正当化される。

数学的には、このモデルはレーダー空洞のモデルに漠然と似ており、ディラック方程式の解がマクスウェル方程式の解に、ベクトル電流消失境界条件がレーダー空洞の導電性金属壁に相当する。バッグの半径を核子の半径に設定すると、バッグモデルは実際の質量の30%以内の核子質量を予測する。

基本的なバッグモデルはパイ中間子を介した相互作用を提供しないが、 P行列を用いた6クォークバッグのsチャネル機構を介した核子間力を非常によく記述する。[ 15 ] [ 16 ]

カイラルバッグモデル

カイラルバッグモデル[ 17 ] [ 18 ]は、 MITバッグモデルとスキルミオンモデルを融合させたものである。このモデルでは、スキルミオンの中央に穴が開けられ、バッグモデルに置き換えられる。境界条件は、バッグ境界を横切る 軸ベクトル電流の連続性という要件によって規定される。

非常に興味深いことに、スキルミオンに開けられた穴の位相巻数（重粒子数）の欠けている部分は、バッグ内のクォーク場の非ゼロの真空期待値（またはスペクトル非対称性）によって正確に補われます。2017年現在、演算子の位相とスペクトルの間のこの注目すべきトレードオフは、ヒルベルト空間とその幾何学との関係に関する数学理論において、いかなる根拠も説明もされていません。

カイラルバッグには他にも注目すべき特性がいくつかある。低エネルギー核子の特性と5～10%以内の精度で適合し、カイラルバッグ半径が核子半径より小さい限り、これらの特性はカイラルバッグ半径にほぼ完全に依存しない。この半径に依存しない性質は、ルイス・キャロルのチェシャ猫が笑顔だけに消え去ることにちなんで、 「チェシャ猫原理」[ 19 ]と呼ばれている。QCD方程式の第一原理解は、クォークと中間子の記述における同様の二重性を示すことが期待されている。

参照

脚注

  1. ^結果として得られる係数は、成分電荷の合計によって得られます: Σ Q = ⁠2/3⁠ + ⁠2/3⁠ + ( ⁠−+1/3⁠ ) = ⁠3/3⁠ = 陽子の場合 +1、 Σ Q = ⁠2/3⁠ + ( ⁠−+1/3⁠ ) + ( ⁠−+1/3⁠ ) = ⁠0/3中性子の場合は⁠ = 0 です。

参考文献

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粒子リスト

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  14. ^粒子リスト — N(2220) 2021年3月29日アーカイブ、Wayback Machineにて。
  15. ^粒子リスト — N(2250) 2021年3月29日アーカイブ、Wayback Machineにて。

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