素粒子の相互作用(自然界の四つの力)

　素粒子は、大きく2つのタイプに分けられる。物質を構成する「フェルミオン（フェルミ粒子）」と、物質同士の間に働く力を伝える「ボソン（ボーズ粒子）」である。後者を「ゲージ粒子」ともいう。物理学では、力が伝わるのは「何か」がその力を媒介していると考える。それがゲージ粒子である。

　この宇宙には物理学的に４つの力が働いていると考えらている。まず「重力」、そして「電磁力」である。これらは日常生活で目にすることができる。電磁力というのは電気力と磁気力を合わせて呼んだもので、この２つの作用は90度の位相を持って現れる１つの力とみなされる。 　つぎに「弱い力」と「強い力」でこれは原子核のレベルで働く力である。放射能を持つ原子核がベータ線（電子）を放出して別の種類の原子に変わるのを「ベータ崩壊」という。このベータ崩壊を起こし、原子の種類を変えるのが弱い力である。一方、原子核の中に陽子や中性子を閉じ込める力が強い力である。
　このような基本的力は「電磁相互作用」、「強い相互作用」というように「相互作用」と呼ぶ場合もある。
　力が４つあるのでそれを媒介するゲージ粒子も４つ考えられる。重力を伝えるのを「重力子（グラビトン）」、電磁力を伝えるのが「光子（フォトン）」、弱い力を伝えるのが「ウィークボソン（Ｗ粒子）」、そして強い力を媒介するのが「グルーオン（にかわ粒子）」である。 原子物理学の世界では、いわばキャッチボールをするようにゲージ粒子をやりとりして力を伝える、と考えるのである。そのためゲージ粒子の質量は大きな意味を持つ。質量が大きいと力の到達距離は短くなり、逆に質量がゼロの場合は、無限のかなたまで力が及ぶことになる。

種類	相対的な強さ	影響範囲(m)	メモ
強い相互作用	1040	10-15	グルーオン、量子色力学（QCD）
電磁相互作用	1038	無限大 (強さは1/r2に比例)	光子（フォトン）
弱い相互作用	1015	10-18	ウィークボソン(W±,Z0)
重力相互作用	100	無限大 (強さは1/r2に比例)	重力子（グラビトン）：未発見

　○　ウィークボソン

　弱い力を媒介するウィークボソンには正負の電荷を持つものと中性のものがあり、それぞれＷ＋、Ｗ―、Ｚ０と書かれる。 　素粒子はすべて、電荷などの量子数のみが異なり、あとはまったく同じ性質の「反粒子」を持つ。Ｗ―はＷ＋、の反粒子であり、Ｚ０の反粒子はＺ０自身である。（ちなみに電子の反粒子は、プラスの電荷１を持つ陽電子である。）粒子と反粒子が出会うと、一瞬のうちに消滅し光などのエネルギーに変わってしまう。
弱い相互作用は、電荷ならぬ「ウィーク荷」を持つ粒子に作用し、ウィークボソンをやり取りしてベータ崩壊を起こす。ウィークボソンは、陽子の50倍以上の質量があるため、その到達距離は極めて小さくなる。

　⇒　素粒子（クォーク、レプトン）