カラーチャージ

カラーチャージとは

カラーチャージ（color charge）とは、量子色力学における強い相互作用を記述するための概念で、粒子の「色」とも表現されます。これは物理学の標準模型において、特にクォークとグルーオンと名付けられる素粒子に関連しています。1960年代の初頭、オスカー・W・グリーンバーグや韓茂栄、南部陽一郎などの研究者により、クォークの自由度を示すためにカラーチャージが独自に導入されました。

カラーチャージの背景

1950年代から1960年代にかけて、数多くのハドロンが発見され、これらを分類するための試みがなされていました。この流れの中で、マレー・ゲルマンが1964年にクォーク模型を提唱し、陽子や中性子といったバリオンが3つのクォークからなることを説明しました。しかし、例えば3つのストレンジクォークからなるオメガ粒子のように、パウリの排他原理に矛盾する粒子が存在することがわかりました。この問題を解決するために、クォークの新たな自由度として「カラーチャージ」が導入されたのです。

カラーの概念

カラーチャージは色にちなんで名付けられていますが、ここでの「色」とは、光の三原色—赤、緑、青—を指し、これらが混ざると白色になるという物理的なお話に基づいています。クォークは赤、緑、青のいずれかのカラーチャージを持ち、一方でその反粒子である反クォークは補色（つまり、赤の反対である反赤など）を持ちます。クォークと反クォークから構成されるメソンは、色の混合によって白色になるため、このカラーの閉じ込めという現象が生じます。これは、クォークがハドロンダイナミクスを形成する際の重要な特徴です。

SU(3)とカラーチャージ

カラーチャージという名前は、特殊ユニタリ群SU(3)に関連しています。このグループは、カラーチャージの変換を記述するための数学的構造を提供します。量子色力学はこのSU(3)をゲージ群として用いるヤン＝ミルズ理論であり、力の強い相互作用のメカニズムを理解する上で重要な役割を果たしています。ネーターの定理によると、連続的な対称性に基づく理論において、チャージはその変換を生成する要素です。このため、カラーチャージはSU(3)の変換を生成します。 クォークはこのSU(3)の3次の基本表現であり、粒子のチャージはこの変換群における表現として読み解くことができます。

カラーチャージの具体例

例えば、パイ中間子の崩壊に関する実験では、カラーチャージの自由度が3であるということが必要です。これは、素粒子物理学のさまざまな現象を理解するうえで非常に重要な要素です。

参考文献

• - 南部陽一郎、他『大学院素粒子物理１』講談社、1997年。ISBN 4-06-153224-3。

このように、カラーチャージは強い相互作用を掘り下げて理解するためのキーワードであり、量子色力学の基盤を成す重要な概念です。

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