中間子（読み）ちゅうかんし（英語表記）meson

日本大百科全書(ニッポニカ)

中間子
ちゅうかんし
meson

物質を構成する素粒子のうち互いに強く相互作用をするものはハドロン族に分類され、そのうちスピン（素粒子の固有の角運動量）が半整数の粒子は重粒子（バリオン）、整数の粒子は中間子（メソン）とよばれる。代表的な重粒子は原子核を構成する陽子と中性子（核子と総称）、代表的な中間子は湯川秀樹(ゆかわひでき)がその存在を予言したπ(パイ)中間子で、電荷（電気素量単位）Q＝＋1,0,－1の3種類（π⁺,π⁰,π^-）がある。ともにスピンJ＝0、パリティ（偶奇性）Pは負（J^P＝0^-と表す）で質量もほぼ等しい。このようにJ^Pなどの量子数を共有し質量もほぼ等しいが電荷だけが異なるものを別々に数えるといままでに百数十個の中間子が発見されている。

［大槻昭一郎］

湯川理論

湯川の中間子論は1935年に発表され、1949年日本人最初のノーベル賞（物理学賞）を授与された。電子とともに原子を構成する原子核が核子の束縛系であることはすでに1932年に明らかになっていたが、核子を結合させる力、核力、は荷電粒子の間に働くクーロン力と比べると、強さは100倍程度大きい一方で原子核の大きさ程度の小さい距離でしか働かないという特徴があり、その本性は当時まったく不明であった。湯川は核力はU粒子という未知の粒子が核子の間に交換されることによって生じると考えた。こうすると距離r離れた2個の核子の間の核力の位置エネルギーは

となる。この形は湯川ポテンシャルとよばれr＞r₀で小さくなる。mはU粒子の質量、cは光の速さ、ħ＝h/2π（hはプランク定数）。原子核の大きさからr₀～2×10^-13cmととるとU粒子は質量エネルギーとしてmc²～100MeV、すなわち核子と電子の「中間」の質量をもつと予言された（当時素粒子と認められていたのは核子、電子、クーロン力を媒介する質量ゼロの光子、原子核のβ(ベータ)崩壊に伴って放出されると予想されていたニュートリノだけであった）。gは核子とU粒子の相互作用の強さを表す結合定数で、核力が強いのでg²/4πは大きい。

　湯川はさらに、核子から放出されたU粒子が電子とニュートリノとに崩壊するとしてβ崩壊をも説明しようとした。この面で湯川理論は、自然界のさまざまな相互作用を統一的に扱おうとする素粒子物理学の統一理論の先駆の一つをなすものである。

［大槻昭一郎］

統一理論

1937年宇宙線中に発見されたmc²～100MeVの粒子が湯川理論の予想に反して原子核と強くは相互作用をしないことから、坂田昌一(しょういち)らは、このμ(ミュー)粒子はU粒子とは別物で2種類の中間子が存在すると考えた（二中間子論、1942）。期待されたとおりの強い相互作用をするπ中間子は1947年宇宙線中で発見され、翌年加速器で人工的に生成された。π^±の質量はmc²＝140MeV、π⁰のそれは135MeVである。なお、rr₀の外のほうの領域の核力はπ中間子の交換による湯川ポテンシャルで表されるが、内側のr≪r₀では質量が大きい中間子も媒介するなど複雑になる。また、μ粒子は電子やニュートリノなどとともに強い相互作用をしないスピン1/2のレプトン族（軽粒子族）に分類される。

［大槻昭一郎］

中間子の構造

中間子はスピンJ＝1/2のクォークqとその反粒子がグルーオンの媒介する力で結合した束縛系である。q、およびグルーオンは「色(いろ)電荷」とよばれる量子数をもち、量子色力学による力の特性からすべて中間子の内部に閉じ込められると考えられている。

　二、三例をあげよう。クォークのうちもっとも質量が小さい、すなわち軽いのは電荷Q＝2/3のuクォークとQ＝－1/3のdクォークであるが、π中間子はこれらとその反粒子ū、（反クォークのQは逆符号）の束縛系としてπ⁺～u、π⁰～uūおよびd、π^-～dūである。これらqとの間の回転の角運動量はゼロ、互いのスピンは反平行（スピン1重項）で、その結果π中間子はJ^P＝0^-となる。u、dに次いで重いのはストレンジネスとよばれる量子数S＝－1をもつQ＝－1/3のsクォークで、π⁺でuをsに入れ替えたのがS＝－1の⁰～sでmc²＝498MeV、またを（反クォークのSは逆符号）に入れ替えたのがS＝＋1のK⁺～uで494MeV。このようにJ^P＝0^-は共通でQ、Sが異なるπを含めた8種類の中間子がmc²＝547MeV以下にそろっている。次に重いものとしてJ^P＝1^-の9種類の中間子がmc²＝771～1019MeVに現れる。sに次いで重くなる順にc（Q＝2/3、量子数チャーム＝1）、b（Q＝－1/3、量子数ボトム＝－1）、t（Q＝2/3、量子数トップ＝1）のクォークが存在し、これらを含んだ重い中間子、たとえばmc²＝9460MeVの中間子γ～bなども、多数発見されている。なお、重い中間子は一般的には強い相互作用で軽い中間子へと崩壊するが、もっとも軽いπ中間子は強い相互作用による崩壊相手がなく、π^±はμ^±とニュートリノへ、π⁰は2個の光子へ、それぞれ崩壊する。

　場の量子論では対称性が自発的に破れるとき質量ゼロ、スピンゼロの南部・ゴールドストーンの粒子が出現することが知られている。数ある中間子のなかで特別に軽いπ中間子は、質量がゼロに近いu、dクォークに特有のカイラル対称性の自発的破れに伴う南部・ゴールドストーンの粒子ともみなされるが、この対称性が完璧(かんぺき)でない分だけπ中間子が小さい質量をもつと考えられる。

［大槻昭一郎］

『原康夫著『素粒子』（1980・朝倉書店）』▽『小川修三・沢田昭二・中川昌美著『素粒子の複合模型』（1980・岩波書店）』▽『日本物理学会編『物質の窮極を探る――現代の統一理論』（1982・培風館）』▽『近藤都登著『トップクォークの発見』（1996・丸善）』▽『南部陽一郎著『クォーク――素粒子物理はどこまで進んできたか』第2版（講談社・ブルーバックス）』▽『湯川秀樹著『旅人　ある物理学者の回想』（角川文庫）』

[参照項目] | 宇宙線 | 核力 | クォーク理論 | グルーオン | 軽粒子 | スピン | パリティ | β崩壊

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)

ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典

中間子
ちゅうかんし
meson

質量をもち，スピンが整数で，ボース統計に従い強い相互作用をする素粒子の総称。メソンともいう。中間子はクォークと反クォークからできている複合粒子でバリオン数は 0である。π中間子，ストレンジクォーク（s）を含む K中間子，η中間子，チャームクォーク（c）を含む D中間子，J/ψ中間子，ボトムクォーク（b）を含む B中間子，Υ中間子やこれらの励起状態（共鳴粒子ともいう）など多数発見されている。歴史的には，1935年湯川秀樹が原子核の中で陽子と中性子を結合する核力およびβ崩壊を媒介するボソンとして電子の質量の約 300倍の質量をもつ中間子を仮定的に導入した。1937年カール・D.アンダーソンとセス・ネッダーマイヤーが宇宙線の霧箱写真のなかで湯川の中間子らしき粒子を発見し，仁科芳雄のグループは，その粒子がちょうど湯川の予言した質量をもつことを実証した。しかし，この粒子と核子との結合が弱いことから，1942年坂田昌一，谷川安孝は湯川粒子の崩壊生成物が宇宙線粒子であるという二中間子論を提唱し，1947年セシル・フランク・パウエルが宇宙線乾板中でその崩壊を示す飛跡を発見した。今日では湯川粒子をπ中間子，宇宙線粒子をμ粒子と呼び，μ粒子は中間子ではなくてレプトンの一種と判明している。1948年以降は粒子加速器によりπ中間子ビームが得られるようになり，その性質も明らかになった。K中間子は 1947年ジョージ・D.ロチェスターとクリフォード・C.バトラーにより宇宙線の霧箱写真のなかで V形飛跡として発見された。1960年代になると K中間子をはじめ各種の中間子が粒子加速器によって続々とつくられた。1974年末に発見された数種の J/ψおよびψ中間子は他の共鳴中間子に比べて平均寿命が 1万倍も長く，チャーム量子数をもつ粒子の発見として素粒子研究の新しい糸口となった。

出典　ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典

化学辞典 第2版

中間子
チュウカンシ
meson

メソンともいう．クォークと反クォークからなる素粒子．ボース統計に従い，強い相互作用をもつ重い粒子．湯川秀樹がその存在を理論的に予言した．質量は，比較的軽い π⁰ 中間子の135 MeV からΨ中間子の3686 MeV，非常に重い中間子の10 GeV まで(比較：陽子は983 MeV)．π⁰ 中間子は


からなる．u，dはそれぞれアップクォーク，ダウンクォーク．^－ は反クォークを示す．ほかにK，B，ω，ρ，ψ中間子など多数がある．電荷0，＋1，－1．寿命は 10^－8 s 以下．名称は，ギリシア語の“中間”を意味する言葉μσοζ(meses)からで，はじめのうち，電子と陽子の中間の質量をもつものと考えられていたことから，この名称がつけられた．

出典　森北出版「化学辞典（第2版）」

百科事典マイペディア

中間子【ちゅうかんし】

メソンとも。素粒子の族の一つ。強い相互作用を有する粒子（ハドロン）のうちバリオン数（バリオン）が０で，一般にスピンが整数のものを中間子という。歴史的には質量が電子と核子の中間であるものを一括して中間子と呼んだこともあったため，湯川秀樹の中間子理論発表（1935年）の２年後発見されその実験的裏づけと考えられたμ(ミュー)粒子は中間子と呼ばれたこともあったが，中間子でなくレプトンに属する。現在までにπ(パイ)中間子，K(ケー)中間子，ψ(プサイ)中間子，η(エータ)中間子，ρ(ロー)中間子などが発見されている。
→関連項目アンダーソン｜原子核乾板｜スピン｜武谷三男｜ホフスタッター｜湯川秀樹

出典　株式会社平凡社

精選版 日本国語大辞典

ちゅうかん‐し【中間子】

〘名〙 (電子と核子との中間の質量をもつ素粒子の意から) 素粒子の一種。昭和九年（一九三四）湯川秀樹によってその存在を予言され、のちパウエルらによって実験的に証明された。π(パイ)中間子、Ｋ中間子、η(エータ)中間子など多数が発見されている。今日では、質量にはかかわりなく、スピンが整数の素粒子のうち、強い相互作用をする粒子の総称として用いる。メソン。

出典　精選版 日本国語大辞典

デジタル大辞泉

ちゅうかん‐し【中間子】

スピンが整数で、強い相互作用をもつ素粒子。πパイ中間子・K中間子・ηエータ中間子など約100種が発見されている。メソン。
[類語]粒子・分子・原子・原子核・原子団・アトム・イオン・素粒子・電子・陰電子・陽電子・陽子・中性子・光子・エレクトロン・プロトン・ニュートロン・ニュートリノ

出典　小学館

世界大百科事典 第２版

ちゅうかんし【中間子 meson】

メソンともいう。強い相互作用をする素粒子(ハドロン)のうち，バリオン数0で，一般に整数のスピンをもつものの総称。歴史的には陽子，中性子より軽く，電子より重いものを呼んだこともある。理論的には1935年湯川秀樹によって核子(陽子，中性子の総称)の間に働く核力を媒介する素粒子として導入された。核力は，陽子と電気的に中性の中性子の間にも働く，非常に短い距離(～10^－13cm)では非常に強いが，少し離れると非常に弱くなるという性質がある。

出典　株式会社平凡社

世界大百科事典内の中間子の言及

【宇宙線】より

…また，宇宙空間での宇宙線のもつエネルギー密度は1eV/cm3程度である。二次宇宙線の成分は，π中間子，K中間子など，およびこれらが崩壊して転化するμ粒子，電子，γ線，中性微子などである。なお，少量ではあるが，宇宙から飛来する電子，陽電子，γ線，中性微子，反陽子などもあり，高エネルギーのものは宇宙線として扱われている。…

【素粒子】より

…電磁気力と弱い力とは一見まったく異なった力のように見えるが，実は両方の力の源は同じであるという統一理論がS.ワインバーグとA.サラムによって提唱(ワインバーグ=サラムの理論)され，実験による検証も得られて大きな成功を収めた。最後の力は〈強い力〉(強い相互作用)と呼ばれるもので，π中間子が陽子と中性子，あるいは陽子と陽子の間に交換されて生ずる核力がこれである。この強い力は，10^－13cmという非常に小さい距離でのみ強く働いて，それを越えると非常にはやく減少するという特徴をもつ。…

【湯川秀樹】より

…理論物理学者。中間子理論をつくり出し，日本人として初のノーベル賞を受けた。地理学者小川琢治の三男として東京麻布で生まれたが，翌年父が京都大学教授となってから京都で育った。…

※「中間子」について言及している用語解説の一部を掲載しています。

出典｜株式会社平凡社