トップ・クォークの発見
１９９５年３月、シカゴ近郊の国立フェルミ加速器研究所で、２つの緊急セミナ
ーが相次いで開かれ、新素粒子
「トップクォーク」の発見という歴史的な発表
が行われた。
（日経サイエンス ／１９９７年１２月号／“トップクォーク発見への道”より
）
日経サイエンス／９７年１２月号を開いていて、“トップクォーク発見への道”という
論文を目にし、びっくりしました。いずれ見つかるという話は聞いていましたし、あと
残るのはトップだけだという話も聞いていました。しかし、それでも、私には半信半
疑でした。が、考えてみれば、トップクォークが発見されようがされまいが、私自身
の気持ちの整理という意味では、あまり関係の無いことでした。ただ、さすがにその
素粒子論、標準モデル、クォーク力学という方法論的学問の威力たるや、すごいも
のだと感心しています。すでに、量子力学にかわって、クォーク力学の時代がやっ
てきているのでしょうか。
（そもそも、クォークには構造というものが無く、どのクォークの中身も同じで、均一
のはずです。つまり、これ以上分解できない、最終的な根元的粒子というわけです。
しかし、最初は原子がそれだと考えられていたのです。ところが、原子には構造が
あることが分かりました。ご存知のように、原子は陽子と中性子の核を持ち、その周
りを電子が雲のように周回していたのです。そして今度は、第二の根源的粒子のは
ずだった陽子や中性子が、アップクォークとダウンクォークから構成されているとい
う話になってきました。しかも、１／３
とか、２／３ という半端な電荷をもっているとい
います。これが、本当に根源的粒子なのでしょうか．．．まあ、私には何とも言えま
せんが．．．）
アップクォーク、ダウンクォークは、ともに質量が
０．３／ＧｅＶ。
（ＧｅＶ＝ギガ電子ボルト。１ＧｅＶ＝１０億電子ボルト。アインシュタインの“Ｅ＝ｍｃの２
乗”の関係式により、エネルギー単位がそのまま質量単位になっています。）
ところが、トップ・クォークの質量は、１７５ＧｅＶと言われ、超巨大なクォークである
ことが確認されました。上記の論文によれば、これは金の原子の質量にほぼ等し
く、たった１個のトップクォークが、アップクォーク４００個とダウンクォーク２００個の合
計に相当するそうです。それにしても、最後に姿をあらわしたトップクォークは、また
また大問題をはらんでいるようです。
６個あると予想されたクォークのうち、５個目のボトムクォーク（４．５／ＧｅＶ）が発
見されたのが１９７７年。それから１８年あまりもトップクォークが見つからなかったの
は、この超巨大質量のためだったようです。つまり、それ以前の加速器では、生成
が不可能だったのです。
若い頃、同じ日経サイエンス（
当時は、“サイエンス”だったと思います。）でウイークボソ
ン（たしか、Ｗ粒子だったと思います。これは、プラスとマイナスの２種類があります。）の論文を
幾つか読んだ記憶があります。それから、電気的に中性のＺ粒子確認の論文を読
みました。それが、いつのまにかトップクォークが発見され、クォーク力学はこれで
新たな段階に突入したようです。
＜とりあえず、これぐらいは記憶しておいて下さい
＞ Ｎｏ．１
ウイークボソン．．．．．Ｗ−、Ｗ＋、Ｚ０
（−、＋、０
は、電荷を表しています。電荷の記号は、Ｗ・Ｚの右上の方につくのですが、ワープロの表記が
うまくいきません。未熟者と、お笑い下さい．．．）
（
日経サイエンス／１２月号の論文では、ベクトルボソンとなっています．．．）
ウイークボソンは、この３つのみです。これらの素粒子は、原子核の放射性崩壊を
起こす“弱い力”（弱い相互作用の力）を伝えます。要するに、原子爆弾の核エネル
ギーを、相互作用で記述するものとお考えて下さい。
（
これらは、後ほど繰り返し説明します。理論的なニュアンスも、そのうちに分かってくると思いま
す。おそらく、私自身にも．．．．）
ところで、クォークという名前は、アメリカ人のマレー・ゲルマンが命名したものです
が、経緯が実にユニークです。彼は最初、クォークは三種類と考えていました。それで、
ある小説の中で、海鳥が“クォーク、クォーク、クォーク”と三回鳴くところがあり、そこか
ら取ったといいます。また、ここで用いられている他の名称も、きわめてユニークなもの
が多くあります。これも、やはり時代の文化的背景というものなのでしょうか．．．．．
さて、もう少しデータが溜まっていかないことには、理論的説明にも入れません。
そこで、ここでは標準モデルにおける粒子というもの全体像を俯瞰し、それがどのよ
うに分類されているかを見てみましょう。細かなことはとりあえず脇に置き、まずは
ガイドラインを見ていきます。
＜とりあえず、これぐらいは記憶しておいて下さい
＞ Ｎｏ．２
まず、素粒子は、次の二つに分類することができます。
（１） 物質を構成する粒子．．．フェルミ粒子（
ｆｅｒｍｉｏｎ ）
（２） 力を伝達する粒子 ．．．．ボーズ粒子 （ ｂｏｓｏｎ
）
物質を構成する粒子は、さらに“クォーク”と“レプトン”という二種類に大別されま
す。あらゆる物質は、この二種類の素粒子グループから出来ています。さて、問題
のクォークですが、六種類あります。レプトンも、六種類です。
（１） 物質を構成する粒子 （
フェルミ粒子）
（
質量は、粒子を比較するための個性とお考えください。ここでは、詳しい数字を覚え
る必要はありません。）
（
ＧｅＶ ＝ ギガ電子ボルト １ＧｅＶ ＝ １０億電子ボルト）
＜ クォーク ＞ ／ ６種類
アップ （０．３／ＧｅＶ）
チャーム （１．５／ＧｅＶ）
トップ （１７５／ＧｅＶ）
ダウン （０．３／ＧｅＶ）
ストレンジ （０．５／ＧｅＶ） ボトム （４．５／ＧｅＶ）
＜ レプトン ＞
／ ６種類
電子
ミュー
タウ
（０．０００５／ＧｅＶ） （０．１０６／ＧｅＶ） （１．７／ＧｅＶ）
電子・ニュートリノ
ミュー・ニュートリノ
タウ・ニュートリノ
（０．．．？） （０．．．？） （０．．．？）
例えば、
陽子や中性子は、アップとダウンという２種類のクォークから構成されて
います。したがって、これにレプトンの電子を加えれば、周期律表にあるすべての原
子が記述できます。
アップとダウンは、最小質量のクォークです。これらが、現在の宇宙の 物質のほ
とんど全てを占めています。それ以外の４つのクォーク、そして電子以外の５つのレ
プトンは、ビッグ・バン直後の宇宙にのみ存在していました。ビッグ・バン直後の超
高エネルギー状態を再現できるのは、巨大加速器のみです。
（２） 力を伝達する粒子 （
ボーズ粒子 ）
（これには、以下の４種類があります。）
＜ウイークボソン＞
弱い力 （ 弱い相互作用の力）
Ｗ−、Ｗ＋、Ｚ０
＜ 光子
＞ 電磁力 （ 電磁相互作用の力）
＜ グルーオン
＞ 強い力 （ 核力／強い相互作用の力 ）
＜ グラビトン＞
重力＝引力
素粒子論では、すべてを粒子の相互作用とみなし、力の伝達も、これらの粒子で
記述されます。そう言えば、何処かで“時間子”などという言葉も見たことがありまし
た。これは、時間までも粒子として扱うということなのでしょうか。しかし、これを粒子
として扱うとなると、オモチャ箱をもう一度ひっくり返すようなことになりそうです
が．．．．．
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参考文献： 日経サイエンス１９９７年１２月号
“トップクォーク発見への道”
／
Ｔ．Ｍ．リス（イリノイ大学）、Ｐ．Ｌ．ティプトン（ロチェスター大学）
（
最新のデータは、上記論文より抜粋しました。 ）
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