用語：素粒子 (そりゅうし)
英語：elementary particle fundamental particle
別名：基本粒子(きほんりゅうし)
教材：素粒子の一覧まとめ 無料PDFダウンロード
解説：素粒子とは、物質を構成する最小単位です。素粒子によって、自然界の全てのものが構成されています。素粒子の性質を探究することで、全宇宙の始まりであるビッグバン (Big Bang)の謎が解明できると考えられています。学習の順番として、中学校の物理では、物質の最小単位として原子(げんし)を学習します。高校の物理では、原子をさらに分割して中性子(ちゅせいし)・陽子(ようし)・電子(でんし)を学習します。大学の物理では、さらに分割して素粒子を学習します。素粒子研究の背景には、「物質の最小単位は何か」という探究心があります。素粒子には、フェルミ粒子 (Fermion)とボゾン粒子 (Boson)の２種類があります。フェルミ粒子は、質量粒子 (matter particle)とも呼ばれ、物質の質量を担当すると考えられています。フェルミ粒子には、電気の単元で学習する電子 (Electron)が含まれています。一方で、ボゾン粒子は、作用粒子 (force particle)とも呼ばれ、力学の発生を担当すると考えられています。ボゾン粒子には、光の単元で学習する光子 (Photon)が含まれています。素粒子物理学では、標準理論 (the Standard Model)によって、素粒子を整理しており、現在も新研究によって更新が続いています。
体系：物質(ぶっしつ) substance ＞ 単体(たんたい) simple substance ＞ 原子(げんし) atom ＞ 原子核(げんしかく) atomic nucleus ＞ 素粒子(そりゅうし) fundamental particle ＞ フェルミ粒子 fermion ＋ ボゾン粒子 boson particle
技術：ブラウン管 量子コンピューター 陽電子放出断層撮影(PET検査 Positron Emission Tomography)
探究：物理学のうち、素粒子物理学(そりゅうしぶつりがく)という分野で、素粒子を研究しています。
機関：
スーパーカミオカンデ Super-Kamiokande SK
欧州原子核研究機構 European Organization for Nuclear Research CERN サーン
アスペン物理学センター Aspen Center for Physics
歴史：
| 年代 | 人名 | 業績 |
|---|
| 1897 | JJトンプソン | 陰極管を用いた実験で電子を発見
|
| 原子よりも小さな物質が存在する |
| 1900 | マックスプランク | 光が波動性と粒子性を同時に持つと提唱
|
| 光は波でありかつ粒子でもある |
| 1905 | アインシュタイン | 素粒子を提唱。光を吸収して電子を放出する光電効果を説明 |
| 光はエネルギーである |
素粒子の分類：素粒子は、フェルミ粒子とボゾン粒子に分類され、さらにフェルミ粒子はクオークとレプトンに分類されます。公式で書けば「素粒子＝フェルミ粒子＋ボゾン粒子＝(クオーク＋レプトン)＋ボゾン粒子」となります。
素粒子とクオーク：クオークは、６種類あり、アップクオーク・ダウンクオーク・チャームクオーク・ストレンジクオーク・トップクオーク・ボトムクオークです。クオークは質量を持ち、クオークの電荷は、珍しく、整数値ではなく分数値になります。クオークを組み合わせると、ハドロンになります。代表的なハドロンの１つは、陽子です。陽子は、アップクォーク２個とダウンクォーク１個で構成されます。
| クオーク | quark | 電荷 |
|---|
| アップクオーク | Up quark | +2/3 |
| ダウンクオーク | Down quark | -1/3 |
| チャームクオーク | Charm quark | +2/3 |
| ストレンジクオーク | Strange quark | -1/3 |
| トップクオーク | Top quark | +2/3 |
| ボトムクオーク | Bottom quark | -1/3 |
素粒子とレプトン：レプトンは、６種類あり、エレクトロン・ミューオン・タウオン・エレクトロンニュートリノ・ミューオンニュートリノ・タウオンニュートリノです。６種類のレプトンは、それぞれのニュートリノと合わせて、３組のレプトン＝(エレクトロン＋エレクトロンニュートリノ)・(ミューオン＋ミューオンニュートリノ)・(タウオン＋タウオンニュートリノ)として整理されています。もっとも有名なレプトンは、エレクトロンで、電子のことです。エレクトロンと電子は、同じ言葉ですが、英語のエレクトン (Electron)を漢字で「電子」と翻訳する慣習があります。レプトンのうち、ニュートリノの質量はゼロと考えられていましたが、１９９８年に質量を持つことが証明され、それまでの理論が更新されています。レプトンの電荷は、ニュートリノの電荷はゼロで、ニュートリノ以外はー１の電荷を持ちます。
| レプトン | Lepton | 電荷 |
|---|
| エレクトロン | Electron | -1 |
| ミューオン | Muon | -1 |
| タウオン | Tauon | -1 |
| エレクトロンニュートリノ | Electron-neutrino | 0 |
| ミューオンニュートリノ | Muon-neutrino | 0 |
| タウオンニュートリノ | Tauon-neutrino | 0 |
素粒子とボゾン粒子：ボゾン粒子のうち、フォトン・ウィークボゾン・グルーオンなどが代表的な素粒子です。もっとも有名なボゾン粒子は、フォトンで、電磁波の作用を担当しています。ボゾン粒子には、未発見の粒子が多くあり、グラビトンなどの研究が進んでいます。
素粒子の世界は陽子の世界の１０００分の１：
| 物質名 | 存在単位 |
|---|
| センチの世界 | $10^{-2}m$ |
| ミリの世界 | $10^{-3}m$ |
| マイクロの世界 | $10^{-6}m$ |
| ナノの世界 | $10^{-9}m$ |
| 水素原子 | $10^{-10}m$ |
| ピコの世界 | $10^{-12}m$ |
| 陽子 | $10^{-15}m$ |
| 中性子 | $10^{-15}m$ |
| フェムトの世界 | $10^{-15}m$ |
| クオーク | $10^{-18}m$ |
| アトの世界 | $10^{-18}m$ |