素粒子

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標準模型に含まれる17の素粒子

物理学において素粒子(そりゅうし、: elementary particle)とは、物質を構成する最小の単位のことである。基本粒子とほぼ同義語である。

概要[編集]

標準模型による素粒子の相互作用の説明

素粒子はそれが従う統計によって二種類に分類され、フェルミ統計に従う粒子フェルミ粒子、ボース統計に従う粒子をボース粒子と呼ぶ。素粒子のうち、現時点で存在が知られているフェルミ粒子はクォークレプトンとに分類される。現時点ではクォークやレプトンの大きさはわかっていないが、点粒子であると仮定しても実験的に矛盾がないことから標準模型(標準理論)では点粒子として扱われる。一方、現時点で知られているボース素粒子には、素粒子間の相互作用を伝達するゲージ粒子と、素粒子に質量を与えるヒッグス機構に関連して現れるヒッグス粒子とがある。ゲージ粒子、ヒッグス粒子とも、現時点では点粒子であると仮定して実験的に矛盾はなく、標準模型では点粒子であるとされる。また、素粒子は内部と外部を区別をする明確な境界が存在せず、点粒子として扱う。素粒子以外の例として、ブラックホールは実体を特異点のみとすれば大きさは0である。点粒子によって有限の大きさを持つ物質ができる仕組みは、複数の点粒子が運動する有限の領域が、有限のハドロン等の、大きさを持つ粒子を構成することによる。ただし、点粒子の存在は、空間が、最小単位の存在しない無限に分割可能な連続体であることが前提である。標準模型で扱うスケールより15桁以上小さく、長さの最小単位である可能性のあるプランク長スケールにおいては、空間が連続的であるか離散的であるかは判明しておらず、離散的である場合には点粒子として扱えないことになる。ゲージ粒子のうち、重力を媒介するとされる重力子は未発見である。

最小の単位であるということは、それより小さな存在がないということであり、したがって内部構造を持たず空間的な大きさを持たない、または空間・長さ自体が最小単位の大きさ(空間最小単位の候補の例としてはプランク長等)とされるのだが、超弦理論においては全ての素粒子は有限な大きさを持つひもの振動状態であるとされる。素粒子に内部構造が存在することが発見されれば、その内部構造を構成するもののほうが素粒子と呼ばれ、ボース粒子やフェルミ粒子は素粒子と呼ばれなくなる。

素粒子のうちほとんどのものは、自然界に単独で安定的に存在しているわけではないので、宇宙線の観測や加速器による生成反応により発見・研究された。素粒子の様々な性質を実験で調べ、それを理論的に体系化していくこと、及び理論的に予言される素粒子を実験で探索していくことが、素粒子物理学の研究目的である。

素粒子の分類[編集]

ボソン(ボース統計に従う粒子)[編集]

ゲージ粒子
素粒子間の相互作用(力)を伝え運ぶ粒子。それぞれの相互作用に応じて以下の種類がある。
ヒッグス粒子
素粒子に質量を与える。

フェルミオン(フェルミ統計に従う粒子)[編集]

フェルミオン
物質を構成する粒子。クォークレプトンに大きく分けられる。更にそれぞれが二系列に分けられ、三世代ずつの計6種類が発見されている。傾向として、世代数が大きいほど質量が大きいとされている。

関連項目[編集]