素粒子とはどんなもの？まずは大きな分類から

ここは素粒子についてみていきましょう。

素粒子とは、物質や力をつくる最小の単位であり、これ以上分けることができない基本的な粒子のことを指します。
私たちの体を構成する原子、原子を構成する原子核、そのさらに奥にある陽子・中性子まで分解していくと、最終的に素粒子にたどり着きます。

素粒子は非常に多くの種類がありますが、大きく フェルミ粒子 と ボース粒子 の2つに分類されます。

分類とか出てきたらもう頭パンクするで。

フェルミ粒子とボース粒子

フェルミ粒子
物質そのものを構成する粒子です。
陽子や中性子をつくる「クォーク」、電子やニュートリノといった「レプトン」が含まれます。
これらは「物質の部品」とイメージするとわかりやすいでしょう。

ボース粒子
力を伝える役割を担う粒子です。
電磁相互作用を伝える「光子」、強い相互作用を担う「グルーオン」などが代表です。
ボース粒子は、物質そのものというより「力の仲介役」として働きます。

役割が違うのよね。

そう。
フェルミ粒子は部品そのもの。
ボース粒子は接着剤みたいなものだよ。

国試で注目すべきはこの2つのグループ

素粒子物理学には多くの粒子が登場しますが、診療放射線技師国家試験で必要とされるのはごく一部に限られています。

• フェルミ粒子では
  • アップクォーク（u）
  • ダウンクォーク（d）
  • 電子
  • ニュートリノ
    この4種類が中心です。
• ボース粒子では
  • 光子（電磁相互作用を媒介）
  • グルーオン（強い相互作用を媒介）
    が出題範囲となります。

試験では「名前」「分類」「代表的な役割」を押さえていれば十分です。たとえば「陽子はu u d」「電子は安定して存在」「ニュートリノは電荷を持たない」など、キーワードを整理して覚えることが得点につながります。

それぞれがなんなのか、どの話題のときに登場するのかを把握していれば、大丈夫です。
それ以上は放射線技師の物理を超えています。
素粒子物理学をやりたい方に任せておけば良いでしょう。
我々の目指すところは、放射線技師であって、物理の専門家ではありませんからね。

反粒子の存在も押さえておこう

また、クォークなどを含む全て粒子には必ず「反粒子」なるものがあります。

反粒子は質量や寿命などの基本的な性質は同じですが、電荷などの一部の性質が逆になっています。

• 電子に対する反粒子 → 陽電子
• ニュートリノに対する反粒子 → 反ニュートリノ

表記としては上にバーが付いたものが反粒子です。
例えば、陽子を $\color{#B22222}{\pmb{p}}$ とするなら、反粒子である反陽子は $\color{#B22222}{\pmb{\bar{p}}}$ となります。

例外もあります。

たとえば光子や中間子の一部は、それ自体が反粒子の性質も兼ねています。
「反粒子がない」のではなく「自分自身が反粒子も担っている」という点に注意しましょう。

オレの他にも反牛助がおるんか？
会うてみたいわ～。

牛助とは性質が逆になるから、
きっと賢いんじゃないかな～？

先生、そりゃ厳しいて。

フェルミ粒子の仲間たち

フェルミ粒子は、物質そのものを構成する役割をもつ素粒子です。
私たちの体や原子をつくっている粒子は、すべてこのフェルミ粒子の仲間だと考えて構いません。
ここでは国試でとくに重要となる「クォーク」と「レプトン」を中心に整理していきます。

クォーク

クォークは陽子や中性子をつくる材料となる粒子です。
6種類（アップ・ダウン・チャーム・ストレンジ・トップ・ボトム）のうち、国試で重要なのは アップクォーク（u） と ダウンクォーク（d） の2種類です。

• 陽子は「u u d」で構成され、電荷は +1e
• 中性子は「u d d」で構成され、電荷は 0

この2つをしっかり押さえておけば、計算問題や記述で対応できます。

クォークにも反粒子が存在するんだけど、
国試では名前と組み合わせさえ理解できれば十分だよ。

陽子と中性子のクォーク構成は必須知識です。
よく出題されますから、覚えておいてくださいね。

ハドロンの構成

複合粒子であるハドロンのクォーク構成は国試で頻出されます。
必ず押さえておきたい内容です。

ハドロンとは複合粒子のことで、具体的には核子（陽子と中性子）と中間子が該当します。

「核子」（陽子と中性子の総称）を構成する因子がアップクォークとダウンクォークです。
核子の他に、「中間子」を構成するのもアップクォークとダウンクォークです。

ちなみに、核子も中間子も素粒子を複数個組み合わせているので、「複合粒子」に分類されます。

アップクォークは素電荷量eに対して、$\color{#B22222}{\frac{2}{3}e}$の電荷をもちます。
ダウンクォークは$\color{#B22222}{-\frac{1}{3}e}$の電荷をもちます。

このアップクォークとダウンクォークを3つ組み合わせてみましょう。

例えばuud。電荷で考えると、このようになります。
$$
\color{#B22222}{
\pmb{
\begin{aligned}
uud&=\frac{2}{3}e+\frac{2}{3}e-\frac{1}{3}e\\[10pt]
&=e
\end{aligned}
}}$$
最終的に+eの電荷が残りますので、uudのクォーク構造は陽子を示すことになります。

続いてudd。これも電荷で考えていきましょう。
$$
\color{#B22222}{
\pmb{
\begin{aligned}
udd&=\frac{2}{3}e-\frac{1}{3}e-\frac{1}{3}e\\[10pt]
&=0
\end{aligned}
}}$$
電荷で考えてみるとこのように0になります。
つまり電荷のない状態。
したがって、uddのクォーク構造は電荷を持たない中性子を示すことになります。

ここまでのクォーク構成は大丈夫かな？
結構出題されるから覚えておいてね。

「ここまで」ってことは
他にもあるのよね？

ではここからは中間子について見ていきましょう。
国試では中間子の構成までは出題されないと思いますが、
ルールさえ分かっていれば難しくはないですよ。

それでは、アップクォークとダウンクォークを2つ組み合わせてみましょう。
まずはアップクォークと反ダウンクォークの組み合わせ。
電荷で考えると、+eの電荷になりますので、π^＋中間子と考えます。

$$
\color{#B22222}{
\pmb{
\begin{aligned}
u\bar{d}&=\frac{2}{3}e+\frac{1}{3}e\\[10pt]
&=e
\end{aligned}
}}$$

続いて反アップクォークとダウンクォークの組み合わせ。
電荷で考えると、－eの電荷になりますので、π^－中間子と考えます。

$$
\color{#B22222}{
\pmb{
\begin{aligned}
\bar{u}d&=-\frac{2}{3}e-\frac{1}{3}e\\[10pt]
&=-e
\end{aligned}
}}$$

どうでしょうか？慣れてきましたか？

なんとなく分かってきたで！

では最後にπ⁰中間子をご紹介しておきましょう。

本当は異なる式構成をしているのですが、電荷的にこちらのほうが理解しやすいので、この式で見ていってください。

素粒子とそれ自身の反粒子で構成されるパターンです。
アップクォークと反アップクォーク、またはダウンクォークと反ダウンクォークの組合せです。

$$
\color{#B22222}{
\pmb{
\begin{aligned}
u\bar{u}&=\frac{2}{3}e-\frac{2}{3}e\\[10pt]
&=0
\end{aligned}
}}$$

$$
\color{#B22222}{
\pmb{
\begin{aligned}
d\bar{d}&=-\frac{1}{3}e+\frac{1}{3}e\\[10pt]
&=0
\end{aligned}
}}$$

どちらの場合も電荷は0になりますので、π⁰中間子という認識でOKです。
ちなみに、本来のπ⁰中間子はこんな構造です。

$$
\color{#B22222}{
\pmb{
\frac{u \bar{u}-d \bar{d}}{\sqrt{2}}
}}$$

中間子にはπ中間子以外にもいろいろあります。
K中間子、D中間子、B中間子などありますが、国試で登場するのは今のところπ中間子だけです。

クォーク 2 個で構成されるのが、中間子。
クォーク 3 個で構成されるのが、核子なのね。

レプトン（電子とニュートリノ）

レプトンの中で注目すべきは 電子 と ニュートリノ です。

• 電子：負の電荷をもつ安定した粒子。原子の外殻を回り、化学結合や電流の担い手となる。
• ニュートリノ：電荷をもたない粒子。質量はほぼゼロで、β崩壊など弱い相互作用に登場する。

国試では「電子＝安定した存在」「ニュートリノ＝電荷なし・質量ほぼゼロ」というキーワードを押さえておくと安心です。

（陰電子）と陽電子

• 陰電子（通常の電子）：負の電荷（−e）をもつ安定した粒子。原子の外殻を回り、化学結合や電気の流れを担う。
• 陽電子：電子の反粒子。質量は同じで、電荷が正（＋e）。医療分野ではPET検査で登場する。

電子と陽電子はお互いの持つ電荷の符号が異なります。
電荷の大きさはどちらも1.6×10^-19[C]で同一です。
正の電荷か負の電荷かで異なります。
当然、陽電子が正、陰電子が負です。
それ以外の質量などの性質も同じです。

異なる点はもう一つ。

安定性です。

電子（陰電子）は安定した粒子であるのに対して、陽電子は不安定な粒子です。

この辺りは消滅放射線の発生で詳しく見ていきましょう。

ニュートリノと反ニュートリノ

• ニュートリノ：電荷を持たない、非常に軽い粒子。β崩壊や弱い相互作用に関与。
• 反ニュートリノ：ニュートリノの反粒子。同じく電荷はゼロ。

ニュートリノと反ニュートリノはβ壊変の際に登場する素粒子です。

「4つの力」もご参照ください。

β壊変系に密接に関係するニュートリノですが、深く問われることはないでしょう。
素粒子としてニュートリノに関することは出題されないかと思います。

β^－壊変では「反ニュートリノ」、β^＋壊変では「ニュートリノ」、EC（軌道電子捕獲）では「ニュートリノ」が放出されることが分かっていれば問題ないです。

ボース粒子の仲間たち

ボース粒子は「力を伝える役割」を担う粒子です。
フェルミ粒子が「物質そのものの部品」だとすると、ボース粒子はその間をつなぐ 接着剤や仲介役 のような存在です。

光子と電磁相互作用

光子は、電磁相互作用を担うボース粒子です。
私たちが扱う電磁波――可視光、X線、γ線など――は、いずれも光子として理解して問題ありません。

診療放射線技師の国家試験では、光子の性質そのものよりも、「電磁相互作用を媒介する粒子である」 という役割が問われます。
医療分野では放射線の理解に直結するため、ここは確実に押さえておきましょう。

「光子の役割＝電磁相互作用の媒介粒子」として覚えておいてね。

グルーオンと強い力

グルーオンは、「強い相互作用」を担うボース粒子です。
陽子や中性子の内部では、クォーク同士を強く結びつける役割を果たしており、その結果として原子核が成り立っています。

フェルミ粒子が物質そのものの部品だとすると、グルーオンはそれらをつなぎ止める 接着剤のような存在 と考えると理解しやすいでしょう。
国試では「グルーオン＝強い相互作用を媒介する粒子」と整理しておけば十分です。

試験での出題範囲はごく限られる

ボース粒子は他にも「Wボソン」「Zボソン」「ヒッグス粒子」などがありますが、診療放射線技師国家試験ではまず出題されません。
国試で覚えるべきは 光子とグルーオン の2種類に絞って大丈夫です。

実際の問題を見ていきましょう。

第66回　2014年　問43
原子核について誤っているものはどれか。

1. 核子は強い相互作用で結合している。
2. 直径はおよそ10^-15 ～ 10^-14 mである。
3. 中間子はクォークと反クォークで構成されている。
4. 1核子あたりの結合エネルギーはおよそ20MeVである。
5. 中性子はアップクォーク1個とダウンクォーク2個で構成されている。

いかがでしょうか？

クォークだけについて出題しているものは見つけられませんでした。
5枝のうち2枝でクォークに関係しているこの問題を選んでみましたが、解けましたか？

解答を確認する。

答えは　4　です。

今回、正解の枝は核子1個あたりのエネルギーについてです。
正しくは8MeVでしたね。

覚えてましたか？
忘れてしまった方は、A15：原子核の結合エネルギーと質量欠損でおさらいしておいてくださいね。

まとめ

今回は、素粒子の分類やクォーク・レプトン、ボース粒子について学びました。
国家試験ではすべてを覚える必要はありません。出題されやすいポイントを整理して押さえておきましょう。

• 素粒子は「フェルミ粒子」と「ボース粒子」に大きく分類される。
• フェルミ粒子にはクォークやレプトンが含まれ、物質そのものを構成している。
• 陽子は「uud」、中性子は「udd」のクォーク構成で、アップクォークとダウンクォークの電荷は頻出事項である。
• ボース粒子では、光子は電磁相互作用、グルーオンは強い相互作用を媒介する粒子として覚えておく。
• 国家試験では、クォーク構成や粒子の分類・役割がよく問われる。

素粒子の世界は奥深いですが、国試では
「アップ・ダウンの電荷」と
「陽子・中性子の構成」
を押さえておけば十分ですよ！

次に読むならコレ！レントゲン博士のおすすめ内部リンク

次はこの辺りも参考になるかもよ。

• A15：原子核の結合エネルギーと質量欠損
• A11：原子の構造をみてみよう！

この記事を書いた人

たなまる
詳しいプロフィールはこちら

診療放射線技師・医療系専門学校専任教員。

都内大学病院で9年間勤務後、
2015年より医療系専門学校の専任教員として
放射線物理学・核医学・医用工学・放射線計測学・放射化学
などの講義を担当しています。

国家試験対策用ワークブックの制作や学習支援サイト「勉強嫌いの放物」の運営を行っています。

保有資格：
・診療放射線技師
・第1種放射線取扱主任者
・作業環境測定士
・衛生工学衛生管理者
ほか、放射線関連国家資格を保有

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