質問: 軽いものから順にアップ、ダウン、ストレンジ、チャーム、ボトム、トップの6種類がある、原子核や中間子を構成するといわれる素粒子は何?
回答: クォーク

タイトル: 基本粒子
素粒子物理学の主要な課題の一つは、宇宙の最も基本的な粒子を発見することである。例えば、原子は、電子・陽子・中性子というより小さな粒子(亜原子粒子)によって作られている。さらに、陽子と中性子はクォークというより基本的な粒子によって作られていることが、現代の素粒子物理学によって広く認められている。20世紀の素粒子物理学が到達した標準模型は、現在、最も広く受け入れられている基本粒子に関する理論である。これは、12種類のフェルミ粒子(物質の粒子)と、12種類のボース粒子(相互作用粒子)、そしてそれらに対応する反粒子を基本粒子としている。しかし、標準模型は真に究極的な理論というよりも条件付の暫定的な理論であり、高エネルギー物理実験や宇宙物理実験の観測結果について説明しきれていない面もある。例えば、通常の標準模型は、ニュートリノ振動を説明しない。

タイトル: ラザフォードの原子模型
ラザフォードの発見後、原子は単一の粒子ではなくもっと小さな粒子が集まって構成されていることが徐々に判明していった。原子核は原子自体よりもずっと小さく、原子の体積の大部分は何もないことが判明していった。その後、X線を使って原子内の電子数(原子番号と同じ)が数えられることがわかった。X線が原子を通過するとき、その一部が散乱し、残りはそのまま通過する。X線が散乱するのは電子とぶつかって散乱した部分であり、X線の減衰した量を計測することで原子内の電子数を正確に推測可能となった。

タイトル: カール・デイヴィッド・アンダーソン
1936年、アンダーソンとその最初の指導学生であるセス・ネッダーマイヤーは、電子の207倍の質量を持ち、電子と同じ負の電荷とスピン1/2を持つ素粒子「ミュー粒子」を宇宙線の中から発見した。これは当初、湯川秀樹が強い相互作用の理論で提唱した中間子が検出されたものだと考えられ、「ミュー中間子」と呼ばれていた。しかし、それが中間子ではないことが明らかになると、理論物理学者のI・I・ラービが、この予想外の発見が素粒子物理学の論理的スキームにどのように適合するのか困惑し、「そんなもの、誰が注文したんだ?」と(同僚と中華料理店で食事中に)言ったという逸話がある。ミュー粒子は、長い歴史の中で発見された素粒子の最初のもので、当初は、整然とした概念図に当てはめることができず、理論物理学者たちを困惑させた。

タイトル: ヘリウム原子
ヘリウム原子(ヘリウムげんし)は、元素ヘリウムの原子である。ヘリウムは、強い力によって結び付いた2つの陽子と(同位体に応じて)1つまたは2つの中性子を含んでいる核へ電磁力によって束縛された2つの電子から構成される。水素についてとは異なり、ヘリウム原子についてのシュレディンガー方程式に対する閉形式解は見つかっていない。しかしながら、ハートリー–フォック法といった様々な近似をヘリウム原子の基底状態エネルギーと波動関数を推定するために使うことができる。ハートリー–フォック法以外にも、原子系を解くために今日使われているより正確で有効な手法が存在する。ヘリウムやその他の少数電子系についての「多体問題」はかなり正確に解くことができる。計算されたヘリウムの基底状態エネルギーを下の表に示す(実験値は−2.90338583(13) Hartree)。

タイトル: 塩基配列
核酸は、モノマーであるヌクレオチドが、直鎖状に多数接続してできたポリマーである。ヌクレオチドには、通称"塩基"と呼ばれる有機塩基(プリン塩基またはピリミジン塩基)が結合している。塩基は、DNAではアデニン (A) 、グアニン (G) 、チミン (T) 、シトシン (C) の4種類があり、RNAでは、チミンのかわりにウラシル (U) になる(括弧内は、各塩基の一文字略称である)。ヌクレオチドがポリマーを作るときには方向性があり、ヌクレオチドを構成するリボースの5員環の炭素の位置で、5'炭素と3'炭素がリン酸基を介してエステル結合し伸張するので、塩基配列を記述するときもそれに合わせ、核酸の5'側端から3'側端の方向に記述する。DNA の場合、一文字略称で表すと、例えば"GAATTC"のように端から順に塩基を記述できる。

タイトル: ヘリウム原子
核電荷 Z {\displaystyle Z} はヘリウムでは2である。無限に重い核 M = ∞ {\displaystyle M=\infty } の近似においては、 μ = m {\displaystyle \mu =m} となり、質量分極項 ħ 2 M ∇ r 1 ⋅ ∇ r 2 {\textstyle {\frac {\hbar ^{2}}{M}}\nabla _{r_{1}}\cdot \nabla _{r_{2}}} は消える。原子単位系では、ハミルトニアンは以下のように単純化される。一重項状態は全ての回転下で不変(スカラー実体)であるのに対して、三重項状態は3つの成分を持つ3次元空間ベクトル ( σ x , σ y , σ z ) {\displaystyle (\sigma _{x},\sigma _{y},\sigma _{z})} にマッピングすることができる。

タイトル: 元素
また中性子捕獲による元素合成では、原子核に存在する数によって安定する中性子の魔法数が影響を及ぼす。これは中性子数が50, 82, 126等になると、さらに中性子を捕獲して原子量を高める反応が鈍くなるもので、結果的にこれらの中性子数を持つストロンチウム(陽子:中性子=38:50)、バリウム(56:82)、鉛(82:126)元素が比較的多くなる。地球全体の元素構成は、コアやマントルを直接調査できないため、隕石(コアとしての隕鉄、マントルとしてのアコンドライト)の分析や地震波から各層の弾性率・密度等の解析を組み合わせて推計される。これによると存在比で酸素が最も多く、宇宙に多い水素やヘリウムの比率は低い。金属類も多く、ケイ素、マグネシウム、鉄などが上位を占める。なお、硫黄は硫化鉄状で広範囲に分散しているため、存在比がはっきり分かっていない。

タイトル: モバイローム
モバイローム(英: mobilome)は、ゲノム中の可動遺伝因子の総体である。モバイロームは真核生物、原核生物、ウイルスでみられる。モバイロームの構成は生命の系統によって異なり、真核生物のモバイロームの中心はトランスポゾンであるのに対し、原核生物ではプロファージやプラスミドが主要な要素である。ヴィロファージはウイルスのモバイロームを構成する。

タイトル: ナノ構造体
トップダウン型とボトムアップ型があり、ボトムアップ型には近年では金属有機構造体のように反応条件を精密に制御することによる自己組織化によって形成するだけでなく、走査型トンネル顕微鏡(STM)などの装置を使って原子一つ一つを動かすことによってナノ構造を作成する方法(ディップペン・ナノリソグラフィ(Dip Pen Nanolithography))もあるが、この方法は実験室レベルでのナノ構造体の構築、挙動を調べるには適しているものの、生産性が著しく低いので素子の大量生産の観点から見ると不適といえる。現時点では自己組織化がナノテクノロジーの普及の鍵を握るとされる。

タイトル: ボース粒子
ボース粒子の多体系とみなせる系として、2つの型がある 。1つ目の型は、粒子が有限の質量を持ち、ボース粒子数が保存されるものである。この系の唯一の実例は液体ヘリウムである。2つ目の型は、粒子が質量を持たず、ボース粒子数が保存されないものである。この例として光子や、固体内のフォノンがある。このほかにもボース系の例は多くある。フェルミ粒子的な性格の強い系の中にも、フォノンに似た素励起が存在しうる。また強磁性体や反強磁性体においてもフォノンに似た素励起が重要となり、スピン波と呼ばれ、ボース粒子のように振る舞う。

タイトル: 単核種元素
単核種元素(たんかくしゅげんそ、英: Mononuclidic element)とは、天然に存在する核種がただ一つである元素のことである。似た概念にモノアイソトピック元素があるが、この二つは明確に異なる(後述)。

タイトル: 安定の島
最初の物質として利用可能な核では必要な中性子の合計数にならないため、安定の島の核を作るのは非常に難しいことが分かっている。アクチニドターゲット(Cmなど)と組み合わせた放射性イオンビーム(Sなど)により安定の島の中心により近い中性子過剰な核の生成を可能になることがあるが、このようなビームはそのような実験をするのに必要な強度では使うことができない。CmやEsのような重い同位体もターゲットとして使えるため、既知の同位体よりも中性子が1,2個多い同位体を作ることができるが、ターゲットを作るためにこれらの希少同位体を数ミリグラム作成することは難しい。また、最も中性子の多い既知の同位体、すなわちpxnやαxn (それぞれ陽子またはアルファ粒子の放出によりいくつかの中性子ができる)チャネルを占める同じCa誘導融合蒸発反応における代わりの反応チャネルを調べることも可能と考えられる。

タイトル: 中性子星
中性子星の表面は通常の原子核や電子からなる。この中性子星の大気は厚さが約1mほどで、その下には固体の「地殻」がある。さらに内部には中性子過剰核と呼ばれる非常に中性子の多い原子核でできた層がある。このような原子核は地球上では非常に短時間で崩壊してしまうが、中性子星内部では非常に圧力が高いために安定して存在できる。さらに内部へ進むと、原子核から中性子が外へ漏れ出す「中性子ドリップ」と呼ばれる現象が見られるようになる。この領域には原子核と自由電子と自由中性子が存在する。さらに内部に進むにつれて原子核が融けあって一様な物質(中性子と少量の陽子、電子からなる)の超流動相となる。

タイトル: 核破砕反応
破砕片には中性子過剰核や陽子過剰核などの天然には存在しないきわめて短寿命な核種(いわゆるエキゾティック原子核)が含まれる。 この破砕片を弁別しRIビームとして利用する研究が理研のRIビームファクトリー計画などで進められている。 ビームとして加速したRIは相対論的効果により寿命が延びるので非常に短寿命な核に関する研究が可能である。

タイトル: ケイ素の同位体
ケイ素には多くの同位体が存在するが、その質量数は22から44の間である。Si(最も豊富な同位体;92.23%)、Si(4.67%)、Si(3.1%)が安定同位体である。Siはアルゴンの崩壊で生じる放射性同位体であり、半減期約132年でβ崩壊によりPに崩壊し、Pは半減期14.28日でβ崩壊してSを生成する。標準原子量は28.0855(3) u。

タイトル: 原子論
このように、かつて自然科学において「原子論」と呼ばれる分野で行われていた研究は、現在では「素粒子論」と呼ばれる分野において行われている。

タイトル: 同種粒子
たとえばボゾンの場合はある一粒子状態には粒子がいくつでも入ることができる。このボゾンの性質からも、この方法が便利であることがわかる。エネルギーに下限があること、ローレンツ変換しても物理法則が変わらないことから次のスピン統計定理が成り立つ。N 粒子系を考える。仮にそれぞれの粒子に名前を 1, 2, ..., N とつけたとすると、それぞれの粒子の位置が決まる。多粒子状態を座標表示による波動関数は、ボース粒子の場合はフェルミ粒子の場合は、となる。ここで p {\displaystyle p\ } は置換を表す。

タイトル: カルシウム48
Caは二重ベータ崩壊することが知られている最も軽い原子核であり、sdシェルモデルで分析が可能な単純さを持つ唯一の原子核である。また、二重ベータ崩壊を起こす原子核の中で、最も大きいエネルギー(4.27MeV)を放出する。これらの特徴により、Caは原子核モデルを調査する上で興味深い対象となっており、ニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊の有力な候補である。

タイトル: プレソーラー粒子
また、寿命は長いが消滅核種であるカルシウム41(半減期35万年)とアルミニウム26(半減期73万年)の崩壊生成物も過剰に検出されている。これらの粒子のr過程の同位体異常には、窒素14および酸素18の太陽系内での相対的な過剰と、中性子に富む安定核種カルシウム42とチタン49の過剰も含まれる。その他のプレソーラー粒子(漸近巨星分枝星由来)は、銀河系の中で鉄よりも軽い難揮発性元素の大部分を製造した漸近巨星分枝の同位体組成と物理的情報をもたらす。これらの粒子に含まれる元素は、初期の天の川銀河において異なる時期(および場所)で作られたため、集められた粒子のセットは、太陽系形成以前の銀河の形成と進化についての洞察をさらに深めることができる。粒子の元素の元素合成に関する情報を提供することに加えて、固体粒子は、それらが凝縮した物理化学的条件、およびそれらの形成後のイベントに関する情報を提供する。

タイトル: 核質
核質もしくは核原形質(nucleoplasm, karyoplasm)とは、核膜に包まれている原形質の総称である。核液(nuclear sap)とも呼ばれる。細胞が細胞質を含んでいるのと同様に、細胞核は核質を含んでいる。核質は粘度の高い液体で、染色体と核小体を包んでいる。核質の中には、DNA複製等に必要なヌクレオチドをはじめとする多くの物質や、細胞核の中で直接作用する酵素などが溶解している。また、核基質として知られる線維のネットワークを核質内に見出すことができる。核質の液状の可溶画分は "nuclear hyaloplasm" と呼ばれている。

タイトル: 原子核物理学
現代の原子核に関する実験には大雑把に言って原子核をくっつけて(核融合反応)自然に存在しないより大きな原子核を作る実験(超重核の探索など)、ぶつけて壊す(核破砕反応)事によって天然に存在しない核を作り性質を調べる実験(中性子過剰核や陽子過剰核の実験)、陽子・中性子以外にストレンジネスを持つバリオンであるハイペロンを混入してその振る舞いを調べる実験(ハイパー核)、重い原子核同士を高エネルギーで衝突させて新しい物質状態を探索する実験(相対論的重イオン衝突)などがある。測定の手法としては励起状態から基底状態へ移る際に放出されるγ線のエネルギーとその揺らぎを測定する実験(原子核分光)、原子核崩壊の生成物のエネルギーとその揺らぎを測定する実験、原子核に高エネルギーの光子や電子を入射してその変化を調べる実験、その他原子核から放出される種々の粒子を測定する実験がある。

タイトル: 元素
そしてある程度のヘリウムが蓄積され温度が1億度に達すると中心核でヘリウム3個の核融合であるトリプルアルファ反応が起こり、炭素が生成される(ヘリウム燃焼過程)。比較的軽い星では膨張し赤色巨星となり、やがて星間ガスとして元素を放出しながら白色矮星となる。質量が太陽の3倍程度までの恒星では、核融合反応で生成される元素は炭素止まりだが、より大きな星では核に溜まった炭素や酸素を使う反応(炭素燃焼過程や酸素燃焼過程)へ進み、ネオンやケイ素等を経て最終的に鉄までが生成される。安定した鉄の原子核は電気反発力が強く核融合を起こさないため、恒星の中心部ではエネルギー発生が止まる。この段階で恒星は鉄を中心に外側に段々と軽い元素が多層を成し、たまねぎのような構造となる。これが超新星爆発を経て放出される。恒星内の核融合反応では、鉄より重い元素はほとんど生成されず、ごくわずか生じてもすぐに分解してしまう。

タイトル: 液滴模型
隣合う陽子同士の電気的反発(クーロン力)は、強い核力と比べれば弱いが、長い到達距離のために、核内の他の全ての陽子の影響を受けることになる。そのため、原子核は大きくなるほど、つまり陽子が多くなるほどに不安定化する。結果として、92個よりも多い陽子を含む元素に安定同位体は存在しない。

タイトル: 原子
また、原子の相対的な質量比を表すものとして原子量があり、これは先述のC(炭素12)1個の質量を12と定めた場合の他の元素の質量比である。ある原子の原子量の値はその原子一個の質量をuで表した時の値と全く同一であるが、原子量はあくまで比率を表す量であり、単位を付けない無次元数である。原子量と質量数はほぼ同程度の大きさとなるが、その定義上必ず整数値をとる質量数とは異なり、C以外の原子の原子量は厳密には小数になる。これは、原子核を構成する陽子と中性子の質量が微妙に異なり、かつそれら核子の結合エネルギーによる質量欠損が原子により異なるためである。それでも原子の相対質量は、凡そ質量数に近い数値をとる。複数の同位体を含む元素では、整数値からさらに離れた値を取る場合がある。これは多くの元素では質量数の異なる原子(同位体)が存在し、その存在比率もまちまちなためである。

タイトル: 超微細構造
超微細構造(英: Hyperfine structure)とは、原子物理学において、原子や分子のエネルギー準位(あるいはスペクトル)に含まれる小さな分裂を表す。 これは運動する電子の磁気双極子モーメントと核磁気モーメントとの相互作用により起こる。

タイトル: 質量欠損
ある核種について、その原子核の質量をM、質量数をA、原子番号をZとし、単体の陽子および中性子の質量をそれぞれMp、Mnとしたときに、質量欠損Bは、

タイトル: ポリ酸
ポリ酸は金属原子などに酸素原子が 4, 5, 6配位した結果、MO4四面体、MO5正方錘、MO6六面体、またはMO5三方両錘からなる基本単位から構成される。そして、脱水縮合反応により酸素原子が基本単位間を架橋し、頂点、稜または面を介して結合していくことにより、多彩な構造体を形成することができる。ケギン型、ドーソン型、アンダーソン型などの構造が知られている。複雑な三次元構造を見やすくするため、ベンゼン環を6角形で省略するように、ポリ酸の表示には基本単位を多面体で示す多面体表示がよく用いられる。

タイトル: ダームスタチウム
しかし、自発核分裂では生成物として様々な原子核が生じ、そのため、娘核からは、出発点となる原子核が決定できない。重い元素を合成しようとする物理学者が得られる情報は、このように検出器により収集される、粒子が検出器に衝突した距離、エネルギー、時間と、崩壊の際の同様の情報となる。物理学者はこのデータを分析し、これが新元素によって引き起こされたものであり、他の核種により引き起こされたものではないと結論付けようとする。しばしば、得られたデータは、新元素の生成を確定するには不十分なものであったり、解釈の誤りの元となりうる。

タイトル: 湯川ポテンシャル
f は、核子と中間子の結合定数である。