素粒子一覧:標準模型の17種類を完全解説【クォーク・レプトン・ボソン】

物質を構成する最小単位である素粒子は、私たちの世界を理解する上で欠かせない存在です。
この記事では、現代物理学の到達点である「標準模型(Standard Model)」に含まれる17種類の素粒子について、その特徴と役割を詳しく解説します。
クォーク、レプトン、ボソンという3つのグループに分けて、それぞれの素粒子がどのように働いているのかを見ていきましょう。

概要
素粒子とは
標準模型について
フェルミオン(物質粒子)
1. クォーク(Quark)
2. レプトン(Lepton)
ボソン(力を媒介する粒子)
1. ゲージボソン(Gauge Boson)
2. ヒッグスボソン(Higgs Boson, H⁰)
素粒子一覧表
標準模型の限界と未解決問題
まとめ
参考情報
1. この記事で参照した情報源

概要

素粒子とは、物質を構成する最小の単位であり、内部構造を持たない粒子のことです。
標準模型では、物質を構成する12種類のフェルミオン(fermion)と、力を媒介する5種類のボソン(boson)の合計17種類が基本的な素粒子として認識されています。
この記事では、各素粒子の特性、役割、そして宇宙における重要性について網羅的にご紹介します。

素粒子とは

素粒子は、それ以上分割できない物質の基本単位です。
かつては原子が物質の最小単位と考えられていましたが、20世紀の物理学の発展により、原子は電子と原子核から構成され、原子核はさらに陽子と中性子から成り、陽子と中性子もクォークという素粒子で構成されていることが明らかになりました。

現在の素粒子物理学では、素粒子には大きさが無い「点粒子」として扱われており、実験結果とも矛盾していません。
ただし、超弦理論などの新しい理論では、素粒子は有限の大きさを持つ「ひも」の振動状態であるとも考えられています。

素粒子は、従う統計則によって2種類に分類されます。
フェルミ統計に従うフェルミオン(fermion)と、ボース統計に従うボソン(boson)です。
フェルミオンは物質を構成する粒子であり、ボソンは力を媒介する粒子です。

標準模型について

標準模型(Standard Model)は、1970年代半ばに体系化された現代素粒子物理学の基本的な枠組みです。
「20世紀の物理学の到達点」とも言われるこの理論には、17種類の素粒子が登場します。

標準模型は、電磁気力、弱い力、強い力という3つの基本的な力を量子論的に記述し、それらを担う素粒子がどのように相互作用するかを説明します。
ただし、重力については標準模型の範囲外であり、重力を媒介する重力子(graviton)は未発見です。

標準模型の素粒子は以下のように分類されます。

フェルミオン(物質粒子):12種類

クォーク:6種類
レプトン:6種類

ボソン(力を媒介する粒子):5種類

ゲージボソン:4種類
ヒッグスボソン:1種類

これらの素粒子は「世代」と呼ばれるグループに分けられ、各世代は似た性質を持ちますが、質量が異なります。
一般に、世代が上がるほど質量が大きくなります。

フェルミオン(物質粒子)

フェルミオンは、スピン量子数1/2を持つ物質を構成する粒子です。
パウリの排他原理に従い、同じ量子状態に2つの同一フェルミオンが同時に存在することはできません。

フェルミオンは、クォークとレプトンの2つのグループに分けられます。

クォーク(Quark)

クォークは、強い相互作用をする素粒子で、6種類(6つのフレーバー)が存在します。
クォークは単独で観測されることはなく、常に複数のクォークが結合してハドロンと呼ばれる複合粒子を形成します。
この現象は「クォークの閉じ込め」として知られています。

クォークは3つの世代に分類されます。

第1世代:

アップクォーク(up quark, u):電荷+2/3、質量約2.2 MeV/c²
ダウンクォーク(down quark, d):電荷-1/3、質量約4.7 MeV/c²

アップクォークとダウンクォークは、陽子と中性子を構成する基本的なクォークです。
陽子はアップクォーク2個とダウンクォーク1個、中性子はアップクォーク1個とダウンクォーク2個から成り立っています。
これらは安定しており、宇宙の中で最も多く存在するクォークです。

第2世代:

チャームクォーク(charm quark, c):電荷+2/3、質量約1.28 GeV/c²
ストレンジクォーク(strange quark, s):電荷-1/3、質量約96 MeV/c²

チャームクォークとストレンジクォークは、宇宙線や粒子加速器の中で起こる高エネルギー衝突でのみ生成されます。
これらは不安定で、すぐにアップクォークやダウンクォークに崩壊します。

第3世代:

トップクォーク(top quark, t):電荷+2/3、質量約172.7 GeV/c²
ボトムクォーク(bottom quark, b):電荷-1/3、質量約4.18 GeV/c²

トップクォークは、全ての素粒子の中で最も重い粒子です。
その質量は約172.7 GeV/c²で、なんと鉄原子約3個分に相当します。
トップクォークは1995年に発見され、標準模型の予言を裏付けました。

ボトムクォークも比較的重いクォークで、同様に不安定です。

クォークの重要な特性:

クォークは、電荷が素電荷(電子の電荷)の整数倍ではない唯一の粒子群です。
電荷は+2/3または-1/3という分数値を持ちます。

また、クォークは「色荷(color charge)」という性質を持ちます。
これは実際の色とは関係なく、強い相互作用に関わる量子数です。
色荷には赤、緑、青の3種類があり、反クォークは反赤、反緑、反青の色荷を持ちます。

クォークは、標準模型において唯一、4つの基本相互作用(電磁力、重力、強い力、弱い力)全ての影響を受ける素粒子のグループです。

レプトン(Lepton)

レプトンは、強い相互作用をしない素粒子で、6種類が存在します。
レプトンもクォークと同様に3つの世代に分類されます。

第1世代:

電子(electron, e⁻):電荷-1、質量約0.511 MeV/c²
電子ニュートリノ(electron neutrino, νₑ):電荷0、質量<2.2 eV/c²

電子は、私たちが最もよく知っているレプトンです。
原子核の周りを回り、原子を形成し、化学結合に関わります。
1897年にJ.J.トムソンによって発見されました。

電子ニュートリノは、電荷を持たない極めて軽い粒子で、弱い相互作用のみを行います。
そのため、物質との相互作用が非常に弱く、検出が困難です。

第2世代:

ミューオン(muon, μ⁻):電荷-1、質量約105.7 MeV/c²
ミューニュートリノ(muon neutrino, νμ):電荷0、質量<0.19 MeV/c²

ミューオンは、電子の約207倍の質量を持つレプトンです。
宇宙線が大気と衝突する際に生成され、不安定で約2.2マイクロ秒で電子に崩壊します。

第3世代:

タウ粒子(tau, τ⁻):電荷-1、質量約1.777 GeV/c²
タウニュートリノ(tau neutrino, ντ):電荷0、質量<18.2 MeV/c²

タウ粒子は最も重いレプトンで、電子の約3477倍の質量を持ちます。
極めて不安定で、約2.9×10⁻¹³秒で崩壊します。
タウニュートリノは2000年に発見され、標準模型の最後のレプトンとなりました。

ニュートリノの特性:

ニュートリノは、電荷を持たず、質量が極めて小さく(あるいはゼロの可能性もある)、弱い相互作用のみを行う不思議な粒子です。
宇宙には膨大な数のニュートリノが存在し、数の観点では宇宙の物質の大部分を占めていると考えられています。

ニュートリノは物質をほとんど素通りするため、検出が非常に困難です。
この特性のため、「幽霊粒子」とも呼ばれます。

ボソン(力を媒介する粒子)

ボソンは、素粒子間の相互作用を媒介する粒子です。
標準模型では5種類のボソンが知られています。

ゲージボソン(Gauge Boson)

ゲージボソンは、スピン1を持つ力を媒介する粒子です。
4種類が存在し、それぞれ異なる力を担います。

光子(Photon, γ)

電荷:0
質量:0
媒介する力:電磁気力

光子は、電磁相互作用を媒介するゲージ粒子です。
ガンマ線の正体であり、可視光線、電波、X線など、あらゆる電磁波は光子の流れです。

光子は質量を持たず、光速で移動します。
電磁気力は無限の距離まで到達するため、光子の作用範囲は無限です。

電荷を持つ粒子同士が引き合ったり反発したりするのは、光子を交換することによって起こります。

グルーオン(Gluon, g)

電荷:0
質量:0
媒介する力:強い力

グルーオンは、強い相互作用を媒介するゲージ粒子です。
色荷を持ち、カラーSU(3)の下で8種類存在します。

グルーオンは、クォーク同士を結びつけて陽子や中性子を形成し、さらに陽子と中性子を結びつけて原子核を作ります。
強い力は、原子核が崩壊せずに存在できる理由です。

グルーオン自身も色荷を持つため、グルーオン同士も相互作用します。
この性質が「クォークの閉じ込め」という現象を引き起こします。

Wボソン(W Boson, W⁺, W⁻)

電荷:±1
質量:約80.4 GeV/c²
媒介する力:弱い力

Wボソンは、弱い相互作用を媒介するゲージ粒子です。
W⁺とW⁻の2種類があり、互いに反粒子の関係にあります。

Wボソンは、ベータ崩壊(原子核が放射線を出して別の元素に変わる現象)を引き起こします。
電荷を持つため、荷電粒子との相互作用に関与します。

Zボソン(Z Boson, Z⁰)

電荷:0
質量:約91.2 GeV/c²
媒介する力:弱い力

Zボソンは、電荷を持たない弱い相互作用を媒介するゲージ粒子です。
ワインバーグ=サラム理論により予言され、1983年にWボソンとともに発見されました。

Zボソンは、中性の粒子との弱い相互作用に関わります。

ヒッグスボソン(Higgs Boson, H⁰)

ヒッグスボソン(Higgs Boson, H⁰)

電荷:0
質量:約125.1 GeV/c²
スピン:0

ヒッグスボソンは、標準模型の中でも特殊な素粒子です。
1964年にピーター・ヒッグスらによって予言され、2012年7月4日、CERN(欧州原子核研究機構)のLHC(大型ハドロン衝突型加速器)実験によってついに発見されました。

ヒッグスボソンは、ヒッグス機構と呼ばれる仕組みを通じて、他の素粒子に質量を与える役割を果たします。
宇宙全体に広がる「ヒッグス場」が存在し、粒子がこの場と相互作用することで質量を獲得すると考えられています。

ヒッグス場との相互作用が強い粒子ほど質量が大きく、相互作用が弱い(あるいはゼロの)粒子は質量が小さく(あるいはゼロ)なります。
光子とグルーオンはヒッグス場と相互作用しないため、質量がゼロです。

ヒッグスボソンの発見により、標準模型の最後のピースが埋まり、ピーター・ヒッグスとフランソワ・アングレールは2013年にノーベル物理学賞を受賞しました。

素粒子一覧表

以下は、標準模型に含まれる17種類の素粒子の一覧です。

分類	世代/種類	名称(日本語)	名称(英語)	記号	電荷	質量(概算)	主な特性
フェルミオン(クォーク)	第1世代	アップクォーク	Up quark	u	+2/3	2.2 MeV/c²	陽子・中性子の構成要素
	第1世代	ダウンクォーク	Down quark	d	-1/3	4.7 MeV/c²	陽子・中性子の構成要素
	第2世代	チャームクォーク	Charm quark	c	+2/3	1.28 GeV/c²	不安定、すぐに崩壊
	第2世代	ストレンジクォーク	Strange quark	s	-1/3	96 MeV/c²	不安定、すぐに崩壊
	第3世代	トップクォーク	Top quark	t	+2/3	172.7 GeV/c²	最も重い素粒子
	第3世代	ボトムクォーク	Bottom quark	b	-1/3	4.18 GeV/c²	不安定、すぐに崩壊
フェルミオン(レプトン)	第1世代	電子	Electron	e⁻	-1	0.511 MeV/c²	原子の構成要素
	第1世代	電子ニュートリノ	Electron neutrino	νₑ	0	<2.2 eV/c²	弱い相互作用のみ
	第2世代	ミューオン	Muon	μ⁻	-1	105.7 MeV/c²	電子の約207倍の質量
	第2世代	ミューニュートリノ	Muon neutrino	νμ	0	<0.19 MeV/c²	弱い相互作用のみ
	第3世代	タウ粒子	Tau	τ⁻	-1	1.777 GeV/c²	最も重いレプトン
	第3世代	タウニュートリノ	Tau neutrino	ντ	0	<18.2 MeV/c²	2000年発見、弱い相互作用のみ
ボソン(ゲージボソン)	電磁気力	光子	Photon	γ	0	0	電磁気力を媒介
	強い力	グルーオン	Gluon	g	0	0	強い力を媒介、8種類存在
	弱い力	Wボソン	W boson	W⁺, W⁻	±1	80.4 GeV/c²	ベータ崩壊を引き起こす
	弱い力	Zボソン	Z boson	Z⁰	0	91.2 GeV/c²	中性の弱い相互作用
ボソン(ヒッグスボソン)	質量の起源	ヒッグスボソン	Higgs boson	H⁰	0	125.1 GeV/c²	素粒子に質量を与える