クォークとレプトン

クォークとレプトンは、標準模型において既知のすべての物質を構成する、スピン1/2の素粒子フェルミオンの2つのファミリーです。

Definition

クォークとレプトンは標準模型の素粒子スピン1/2フェルミオンであり、クォーク（アップ、ダウン、チャーム、ストレンジ、トップ、ボトム）は色荷を持ちハドロンを形成する一方、レプトン（電子、ミューオン、タウ、およびそれらのニュートリノ）は色荷を持たず、電弱力のみを介して相互作用します。

Scope

このトピックでは、6種類のクォークと6種類のレプトン、それらが3世代に配置されていること、およびそれらを区別する量子数（電荷、色荷、弱いアイソスピン、フレーバー）について扱います。また、色荷を持ちハドロン内に閉じ込められているクォークと、色荷を持たず自由粒子として存在できるレプトンとの区別、それらの反粒子、およびフェルミオン質量の経験的パターンについても論じます。

Core questions

• なぜクォークとレプトンは、質量が増加する正確に3つの世代で存在するのでしょうか？
• 異なるクォークとレプトンを区別する量子数とは何ですか？
• なぜクォークはハドロン内に閉じ込められているのに、レプトンは自由に存在できるのでしょうか？
• フレーバー変化を伴う弱い相互作用は、どのようにクォーク世代を混合させるのでしょうか？

Key concepts

• 6種類のクォークフレーバーと分数電荷
• 荷電レプトンとニュートリノ
• 3つのフェルミオン世代
• 色荷とクォークの閉じ込め
• 弱いアイソスピン二重項
• 反クォークと反レプトン

Key theories

ハドロンのクォークモデル

ゲルマンとツワイクは、ハドロンが分数電荷を持つクォークで構成されており、バリオンは3つのクォークから、中間子はクォーク-反クォーク対からなると提唱し、観測された強い相互作用粒子のスペクトルを説明しました。

3世代フレーバー構造

クォークとレプトンは、同一のゲージ相互作用を持つが質量が異なる3つの世代で複製され、荷電カレントの弱い過程においてカビボ-小林-益川行列を介してクォーク世代が混合します。

Clinical relevance

クォークとレプトンの特性は、すべての原子物質の構成要素を確立し、陽子と中性子の組成を支配します。これらの特性は、標準模型を検証し、新しい世代やサブストラクチャを探索する衝突型加速器実験や固定標的実験において高精度で測定されています。

History

クォークモデルは、1964年にゲルマンとツワイクによって独立して導入され、増殖するハドロンの動物園を整理しました。1960年代後半のSLACでの深非弾性散乱実験は、陽子内部に点状の構成要素があることを明らかにしました。レプトンファミリーは、ミューオン、タウ、およびそれらに関連するニュートリノの発見によって拡張され、チャーム、ボトム、トップクォークは1995年までに3世代構造を完成させました。

Key figures

• Murray Gell-Mann
• George Zweig
• Makoto Kobayashi
• Toshihide Maskawa

Seminal works

• gellmann1964
• halzenmartin1984

Frequently asked questions

なぜ自由なクォークは一度も観測されていないのですか？

クォークは強い相互作用によって閉じ込められています。それらを引き離すのに必要なエネルギーは距離とともに増加するため、クォークを引き離すと、孤立した自由クォークではなく、新しいクォーク-反クォーク対が生成されます。

クォークとレプトンには何世代ありますか？

3世代が知られています。Zボソンの崩壊幅の測定は、軽いニュートリノ種の数を3つに制限しており、これは通常のフェルミオンが正確に3世代存在することと一致しています。