物質を構成する最小単位である 素粒子 は、性質によって2つのグループに分類されます。 クォーク と レプトン です。

次の表は、クォークとレプトンをまとめた表で、宇宙に存在する物質はこれらの素粒子から構成されています。

……といっても、パッと見ただけではわかりませんね。1つ1つ説明していきましょう。

まず、 クォークとレプトンの違い についてです。かつて素粒子は、陽子や中性子など、核力のような 強い力 がはたらく ハドロン と、 強い力がはたらかない 電子などの レプトン という2つのグループに分類されていました。しかし、時代を経るとともにハドロンの新種が次々と発見され、数百種類にのぼってしまいました。そこで、ハドロンを構成する、もっと基本的な粒子として クォーク というものが考えられるようになりました。

クォーク には、 アップu、ダウンd、チャームc、ストレンジs、トップt、ボトムb の6種類存在することが、実験により確認されています。

表では、第一世代、第二世代、第三世代に分かれていますね。昔は第一世代のアップuとダウンdだけで全ての説明ができると考えられていましたが、現在は第二世代、第三世代が登場し、6種類のクォークでハドロンは構成されていると考えられています。世代は、それぞれの粒子の性質による分類を表しています。

ちなみに、これらのクォークの分類・発見に深く関わっているのが、日本人の物理学者、南部陽一郎、小林誠、益川敏英の3名です。この3名はノーベル物理学賞を受賞しています。

クォークには 電気量 があります。例えば、電気量+eの陽子は、 電気量(2/3)eのアップu が2つと、 電気量-(1/3)eのダウンd 1つから構成されます。 (2/3)e×2-(1/3)e=e より、陽子の電気量が+eであることがわかりますね。

では、電気量0の中性子は、どのクォークから構成されているかわかりますか？ 電気量(2/3)eのアップu が1つと、 電気量-(1/3)eのダウンd 2つから構成されます。 (2/3)e-(1/3)e×2=0 より、中性子の電気量が0であることがわかります。

次にレプトンを見てみましょう。

レプトンにも6種類あり、3つの世代に分かれています。みなさんがよく知っているレプトンは、第一世代の 電子ニュートリノ と 電子 ですね。

ニュートリノは質量が非常に小さく観測するのが困難でしたが、日本人の物理学者、小柴昌俊がつくったカミオカンデという装置で、世界で初めてニュートリノを観測することができました。また、ニュートリノは質量は0だと考えられていましたが、質量があることを日本人の物理学者、梶田隆章が実験で証明しました。両氏は、それぞれの研究からノーベル物理学賞を取っています。