バリオン数

バリオン数について

バリオン数（バリオンすう、英: Baryon number、NB）は、粒子の特性を示す量子数の一つです。この数値は、特にハドロンの分類において重要な役割を果たします。バリオン数はクォークの数に基づき定義され、変化を伴わないものであると考えられています。バリオン数は、次のように表現されます。

$$
B = \frac{1}{3}(n_{q} - n_{\bar{q}})
$$

ここで、$n_{q}$はクォークの数、$n_{\bar{q}}$は反クォークの数を指します。この定義から、クォーク三つからなるバリオンのバリオン数は+1、反バリオンは-1を持ち、クォークと反クォークからなる中間子は0になります。この性質に基づき、ハドロンはバリオンと中間子に分類されます。また、ペンタクォークやテトラクォークのような異種ハドロンもそれぞれのバリオン数に応じて分類されるのです。

バリオン数の概念は、歴史的にバリオンが1の数として定義され、クォークが発見された後に調整が行われました。このような経過から、バリオン数という用語が使われるようになりました。

バリオン数保存則

標準理論においては、バリオン数は保存されると広く理解されています。つまり、クォークや反クォークの数は粒子の反応によって変化しないとされます。ただし、カイラルアノマリーという現象が存在し、この過程ではバリオン数が守られないことが判明しています。特に、電弱スファレロン理論ではバリオン数が3だけ変化することが示されています。

大統一理論では、クォークとレプトンが同一の粒子の異なる状態と見なされ、互いに変換される可能性があります。この過程でバリオン数は2/3から-1/3に変化し、陽子内部でこの変化が発生すると、陽子崩壊と呼ばれる現象が起こることになります。

宇宙の創生時には、バリオン数が0の状態から上記の反応によりバリオンが生成され、正のバリオン数を持つ宇宙が形成されたと考えられていますが、その詳細は未解明です。

バリオン数とクォーク数の関係

バリオン数は、クォークモデルが確立される以前に定義されていました。このため、バリオン数の定義をクォーク数に変更するのではなく、粒子物理学者たちはクォークに1/3のバリオン数を与えました。現在では、クォーク数の保存という用語の方がより適切とされています。

ハドロンのバリオン数

クォークが強い相互作用によって結びつくことでハドロンが形成されます。ハドロン全体のバリオン数は、構成するクォークのバリオン数の合計となります。

ハドロンの種類には次の3つがあり、いずれも「色」という特性を持っています。異なる色の3つのクォークから構成されるバリオンはバリオン数が+1、一方、対応する反カラーの反クォークからなる中間子はバリオン数が0、さらに異なる色の3つの反クォークによる反バリオンのバリオン数は-1となります。現在、クォークと反クォークのペアを持つ異種ハドロンの存在も予測されています。

クォークで構成されない粒子

クォークをもたない粒子のバリオン数は全てゼロです。具体的には、レプトンや光子、グルーオン、Wボソン、Zボソン、仮定された重力子などがこれに該当します。

このように、バリオン数は素粒子の特性や宇宙の成り立ちを理解するために非常に重要な要素となっています。

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