強い相互作用
原子核物理学および素粒子物理学において、強い相互作用(つよいそうごさよう、英語: strong interaction)または強い力は、強い核力の原因となるメカニズムであり、4つの既知の基本相互作用の1つである。10 m (1 フェムトメートル)の範囲では、強い力は電磁気の約137倍、弱い相互作用の100万倍、重力の10倍である。強い核力は、クォークを陽子や中性子などのハドロン粒子に閉じ込めるため、通常の物質のほとんどをまとめている。さらに、強い力はこれらの中性子や陽子を結合させて原子核を作る。一般的な陽子や中性子の質量のほとんどは、強い力場のエネルギーの結果であり、個々のクォークは陽子の質量の1%程度しか提供していない。
強い相互作用は、2つの範囲で観測でき、2つのフォースキャリアにより媒介される。大きいスケール(約1-3 fm)では、陽子と中性子(核子)を結合させて原子核を形成する力(中間子が運ぶ力)である。小さいスケール(核子の半径約0.8 fm以下)では、クォークを結合して陽子、中性子などのハドロン粒子を形成する力(グルーオンにより運ばれる)である。後者の文脈では、これはしばしば色力(color force)として知られる。強い力は本来、強い力により結合したハドロンが新たに大きい質量の粒子を作るほどの強さがある。したがって、ハドロンが高エネルギー粒子に衝突すると、自由に動く放射線(グルーオン)を放出する代わりに新しいハドロンを生成する。
極限の距離(およそハドロンの大きさくらい)に達した後は、クォーク間の距離がいくら離れても、約10,000 ニュートン(N)のままである。クォーク間の分離が大きくなると、分離したクォークを作り出すのは不可能であることから、ペアに加わるエネルギーが元の2つのクォークの間に一致する新たなペアを作る。10,000ニュートンの力に対して行われる仕事の量は、この相互作用の非常に短い距離内で粒子と反粒子のペアを造るのに十分であるという説明がなされる。2つのクォークを引き離すのに必要な系に加えられたエネルギーは、元のクォークとペアになる新たなクォークを生み出す。QCDでは、この現象はカラー閉じ込めと呼ばれる。この結果として1つ1つの自由クォークではなく、ハドロンのみが観測される。自由クォークを捜索した実験がすべて失敗したことが、この現象の証拠と考えられている。
高エネルギー衝突に関わる基本的なクォークとグルーオンは直接観測できない。この相互作用により、新たに生成されるハドロンのジェットが作られ、これは観測することができる。1つの陽子のクォークが粒子加速器実験の間にもう1つの陽子の非常に速いクォークにより衝突されたとき、クォーク・クォーク結合に十分なエネルギーが蓄積されたときに、十分な質量とエネルギーの等価性の現れとして、これらのハドロンが生成される。しかし、クォークグルーオンプラズマは観測されている。
いわゆる大統一理論(GUT)は、電磁相互作用と弱い相互作用がグラショー・ワインバーグ・サラム模型により電弱相互作用に統一されたのと同じように、強い相互作用と電弱相互作用を1つの力の面として記述することを目的としている。強い相互作用は漸近的自由性と呼ばれる性質を持っており、強い力の強さは、より高いエネルギー(もしくは温度)で減少する。その強さが電弱相互作用と等しくなる理論化されたエネルギーが、大統一エネルギー(英語版)である。しかし、この過程を記述する大統一理論は未だ成功しておらず、物理学の未解決問題として残っている。
GUTが正しければ、ビッグ・バンの後、宇宙の電弱時代の間に、電弱力が強い力から分かれたことになる。したがってこれ以前には大統一時代が存在したと考えられている。