| English | 意味 |
|---|---|
| fundamental particles/ˌfʌndəˈmentl ˈpɑːtɪklz/ | 基本粒子 |
| quarks/kwɑːks/ | クォーク |
| flavours/ˈfleɪvəz/ | 味 |
| antiquark/ˈæntɪkwɑːk/ | 反クォーク |
| hadrons/ˈhædrɒnz/ | 強子 |
| baryons/ˈbæriɒnz/ | 重子 |
| mesons/ˈmiːzɒnz/ | 中間子 |
| leptons/ˈleptɒnz/ | レプトン |
Inside the proton
- Protons and neutrons feel solid — but they are not fundamental particles 基本粒子.
- Each is built from smaller point-like particles called quarks 夸克.
- Some particles have no smaller parts; those are the truly fundamental ones.
素粒子実験室
家族構造や相互作用によって定義される粒子を分類せよ。
Quarks
- Six flavours 味. Up, charm, top have charge $+\tfrac{2}{3}e$; down, strange, bottom have $-\tfrac{1}{3}e$.
- Each has an antiquark 反夸克 with the opposite charge.
The six quark flavours: up-type carry +⅔e, down-type carry −⅓e
アップクォークの電荷はいくつか？
難易度 1/5 · 100 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
アップ型クォーク（アップ、チャーム、トップ）は $+\tfrac{2}{3}e$ を持ち、ダウン型（ダウン、ストレンジ、ボトム）は $-\tfrac{1}{3}e$ を持つ。
Hadrons 强子: baryons 重子 and mesons 介子
- Particles built from quarks are hadrons.
- Baryons = three quarks; mesons = a quark and an antiquark.
各ハドロンに対応して、その構成粒子を結ぶ。
難易度 2/5 · 140 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
陽子と中性子はバリオン（3つのクォーク）であり、パイオンはメソン（クォーク＋アンチクォーク）である。
Proton and neutron
- Proton = u u d: charge $\tfrac{2}{3} + \tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} = +1$.
- Neutron = u d d: charge $\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} - \tfrac{1}{3} = 0$.
陽子はどのクォークから構成されているか？
難易度 1/5 · 100 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
陽子 = u u d より、電荷は $\tfrac{2}{3} + \tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} = +1$ となる。
中性子は u d d である。その全電荷は $e$ を単位としていくつあるか？
難易度 2/5 · 140 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
$\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} - \tfrac{1}{3} = 0$ — 中性子は電荷を持たない。
Worked example: the quarks in an α-particle
An α-particle is two protons and two neutrons. Show, using quarks, that each hadron in it has charge $0$ or $+e$, and find the total quark content.
- Each proton is uud: $\tfrac{2}{3} + \tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} = +1$, so charge $+e$. It is a baryon (three quarks).
- Each neutron is udd: $\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} - \tfrac{1}{3} = 0$. Also a baryon.
- Whole α-particle: up quarks $2 \times 2 + 2 \times 1 = 6$; down quarks $2 \times 1 + 2 \times 2 = 6$.
- Check: $6\left(+\tfrac{2}{3}\right) + 6\left(-\tfrac{1}{3}\right) = 4 - 2 = +2$, the α-particle's charge of $+2e$.
ヘリウム-3原子核は陽子2個と中性子1個を含む。この原子核に含まれる ダウン クォークの数はいくつか？
難易度 2/5 · 140 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
各陽子（uud）はダウンクォークを1個持ち、中性子（udd）は2個持つため：$1 + 1 + 2 = 4$ 。
β-decay in quark terms
- β$^{-}$: a neutron becomes a proton — a down quark turns into an up quark.
- β$^{+}$: a proton becomes a neutron — an up quark turns into a down quark.
β⁻ decay up close: one down quark flips to an up quark, so a neutron becomes a proton
β$^{-}$ 崩壊で起こるクォークの変換はどれか？
難易度 1/5 · 100 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
中性子（u d d）が陽子（u u d）になる：一つの ダウン → アップ 変換が起こり、$\beta^{-}$ と反ニュートリノが放出される。
Leptons 轻子 and what's fundamental
- Leptons (electrons, neutrinos) are fundamental and are not made of quarks.
- Fundamental: quarks, electrons, positrons, neutrinos. Not fundamental: protons, neutrons, mesons (all hadrons).
Particles sort into hadrons (made of quarks) and leptons (fundamental, not made of quarks)
すべて「素粒子」である粒子を選択せよ。
難易度 2/5 · 140 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
クォークとレプトン（電子、ニュートリノ）は素粒子である。陽子とメソンはハドロンであり、クォークから構成される。
電子はレプトンであり、クォークから構成されていない。
難易度 1/5 · 100 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
レプトン（電子とニュートリノ）は素粒子であり、クォークから構成されていない。
Worked example: a neutral meson
Particle Q is a meson with zero charge. It has a mass of $0.67\ \text{u}$ and a kinetic energy of $2.1 \times 10^{-16}\ \text{J}$.
- A possible composition: a quark with its own antiquark, for example $\text{u}\bar{\text{u}}$: $+\tfrac{2}{3} - \tfrac{2}{3} = 0$. ($\text{d}\bar{\text{d}}$ would also work.)
- Why not two quarks? A meson is always a quark and an antiquark; two quarks together are not a meson.
- Speed: $E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2}mv^{2}$ with $m = 0.67 \times 1.66 \times 10^{-27} = 1.1 \times 10^{-27}\ \text{kg}$, so $v = \sqrt{\dfrac{2 \times 2.1 \times 10^{-16}}{1.1 \times 10^{-27}}} = 6.1 \times 10^{5}\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$.
- Check: well below the speed of light, so the ordinary kinetic-energy formula is fine to use.
メソンはクォークと ____ から構成される。
難易度 1/5 · 100 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
メソンはクォーク–アンチクォーク対であり、バリオンは3つのクォークである。中性メソンはクォークと反対の電荷を持つアンチクォーク（例：アップとアンチアップ）の対となる。
"Fundamental" means not made of anything smaller: quarks and leptons are; protons, neutrons and every other hadron are not. Antiquarks carry the opposite charge, so a neutral meson pairs a quark with the matching antiquark. In β$^{-}$ decay the quark change is d → u — a charge rise of $+1$ that the emitted electron's $-1$ balances — and the electron is created in the decay, not released from an orbit.
You've got it
- quarks are fundamental (up-type $+\tfrac{2}{3}e$, down-type $-\tfrac{1}{3}e$; antiquarks opposite)
- baryons = 3 quarks (proton uud, neutron udd); mesons = quark + antiquark; a nucleus's quarks are just its protons' and neutrons' added up
- in β$^{-}$ decay a down quark → up quark; leptons (electron, neutrino) are fundamental