素粒子物理学の標準モデル: 素粒子の世界の理論

Particles of the Standard Model of particle physics.


標準モデルは、現代物理学でこれまでに作成された素粒子の世界の最も完全な記述です。 このモデルは、量子力学の基礎の上に 20 世紀を通じて構築されました。量子力学は、粒子が最も小さいスケールでどのように振る舞うかを説明する奇妙な理論です。 標準モデルは、自然の 4 つの力のうちの 3 つ、電磁気力、強い核力、弱い核力を説明しています。 この理論は何千回もテストされて信じられないほどの精度が得られており、その欠点にもかかわらず、現代科学の最も重要な成果の 1 つとして残っています。

「最も基本的なレベルで物事がどのように相互作用するかを考えるための支配的なパラダイムであり」、「驚異的な精度でテストされた」と、ユニオン大学の物理学者であり、多くの人気のある物理学の本の著者であるチャド・オーゼルは、 “How to Teach Quantum Physics to Your Dog” (Scribner, 2009) を含め、Live Science に電子メールで語った。

標準モデルはどのように開発されましたか?

物理学者は、一連の画期的な理論的および実験的開発に続いて、1950 年代に標準モデルの開発を開始しました。 理論面では、物理学者は量子力学を拡張したばかりでした — 元々は亜原子粒子のみを理解するために開発されました — 電磁力を説明するために。 実験面では、物理学者は原子爆弾を開発したばかりで、強い核力と弱い核力を認識していましたが、それらの完全な説明はまだありませんでした。

標準模型は 1970 年代に現代的な形に達し、いくつかの重要な要素が整いました: 強い力を説明するための量子論、電磁気力と弱い核力を統合できるという認識、ヒッグス機構の発見などです。米国エネルギー省によると、粒子の質量が発生しました (新しいタブで開きます) (DOE)。

「私は、人類文明の歴史における最大の知的勝利の 1 つとして、それが包含する現象の範囲の広さと、それらをすべて(´・ω・`)る際の難しさの両方について、立証していると思います」と Orzel は言いました。

標準モデルはどのように構成されていますか?

標準モデルの素粒子を示すインフォグラフィック。 (画像クレジット: Karl Tate、Livescience.com インフォグラフィック アーティスト)

標準モデルは、テネシー大学ノックスビル校によると、素粒子の世界を、フェルミオンとボソンとして知られる 2 つの広範な粒子カテゴリに分類します。 (新しいタブで開きます). 大まかに言えば、フェルミオンは同じ量子状態 (たとえば、原子内の同じエネルギー準位) を共有することはできません。 フェルミオンは通常の物質の「構成要素」であり、さまざまな方法で結合して、陽子、電子、中性子などのよく知られた素粒子を形成します。

フェルミオンには、電磁力と弱い核力に反応するレプトンと、強い核力に反応するクォークの 2 種類があります。 レプトンには、おなじみの電子と、そのより重いいとこであるミューオンとタウが含まれます。 これらの 2 つの粒子は、電子とまったく同じ性質を持っていますが、より質量があります。

これらのレプトンのそれぞれは、対応するニュートリノとペアになっています。 ニュートリノは、物質とほとんど相互作用しない超軽量粒子ですが、核反応で生成されます。 電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノがあります。

これらの 6 つのレプトンに加えて、アップ、ダウン、チャーム、ストレンジ、トップ、ボトムの 6 種類のクォーク、つまり「フレーバー」があります。 アップ クォークとダウン クォークは最も軽く、最も安定しており、3 重項で結合して陽子と中性子を形成します。

一方、ボソンは同じエネルギー状態を共有できます。 最も一般的に知られているボソンは、電磁気力の力のキャリアである光子です。 DOE によると、他の力を運ぶボソンには、弱い核力の 3 つのキャリア (W+、W-、Z ボソンと呼ばれる) と、グルオンと呼ばれる強い核力の 8 つのキャリアが含まれます。

ヒッグス ボソンと呼ばれる最後のボソンは特別で、標準モデルで非常に重要な役割を果たします。

標準模型におけるヒッグス機構の役割は何ですか?

2 つの陽子が衝突して生成されるヒッグス粒子の概念図。 (画像クレジット: Mark Garlick/Science Photo Library via Getty Images)

ヒッグス ボゾンは、標準モデルで 2 つの重要な役割を果たします。 高エネルギーでは、電磁力と弱い核力が融合して、電弱力と呼ばれる共通の統一された力になります。 低エネルギー (つまり、日常生活の典型的なエネルギー) では、2 つの力はおなじみの形に分かれます。 物理学研究所によると、ヒッグス粒子は、弱い核力と電磁気力がヒッグス粒子と異なる方法で相互作用するため、低エネルギーでこれら 2 つの力を分離する役割を果たします。 (新しいタブで開きます).

他のすべてのクォークとレプトン (ニュートリノを除く) もヒッグス粒子と相互作用します。 この相互作用により、これらの粒子に個々の質量が与えられます。これは、粒子がヒッグスと相互作用する強さに依存します。 したがって、ヒッグス粒子の存在により、宇宙の多くの粒子が質量を獲得できるようになります。

標準モデルはどのようにテストされますか?

ここに、大型ハドロン コライダーの画像が表示されます。 物理学者とエンジニアは、正確な測定を行う能力を向上させるために、2017 年に CMS 実験の心臓部を置き換えました。 (画像クレジット:CERN)

関連するすべての粒子が非常に小さいため、標準モデルのテストは非常に困難です。

「おそらく電子を除いて、これらの粒子はどれも直接観測することはできませんが、その存在は、現実の性質をこれまで以上に深く探求している何世代にもわたる物理学者による研究の蓄積のおかげで、ほとんど議論の余地なく証明されています」とオーゼルは言いました。

とは言うものの、標準モデルは何十年にもわたって行われた一連の高精度実験を生き延びてきました。 これらの実験のほとんどすべてに、ほぼ光速で粒子を衝突させるジュネーブ近くのラージ ハドロン コライダーなどの粒子コライダーの使用が組み込まれています。 CERN によると、これらの衝突は膨大な量のエネルギーを放出し、物理学者が自然の基本的な相互作用を研究できるようにします。 (新しいタブで開きます)、大型ハドロンコライダーの本拠地である欧州原子核研究機構。

「私にとって最も印象的な機能は、現実世界のパラメーターを驚くべき精度で決定できることです。電子の異常な磁気モーメントのようなものの場合、小数点以下 13 から 14 桁程度です」と Orzel 氏は述べています。

標準モデルの問題点は何ですか?

単一の数学的枠組みの下でさまざまな自然現象を説明するという大きな成功にもかかわらず、物理学者は標準モデルが完全ではないことを知っています。 最も重要なことは、重力を標準モデルに組み込む試みは一貫して失敗していることです。

「基礎物理学の残りの標準モデルの枠組みと重力を融合できないことは、理論素粒子物理学者が直面している最大の課題であり、彼らをかなりバロックな憶測の領域に追いやった. 「これがどのように解決されるか、あるいは、もっともらしい近未来の技術で解決できるかどうかは、まったく明らかではありません。」

重力がないことに加えて、モデルにはニュートリノに質量を与えるメカニズムが含まれておらず、宇宙の質量とエネルギーの支配的な形態である暗黒物質または暗黒エネルギーが組み込まれていません。

ただし、標準モデルは完全ではありませんが、物理学者はそれを拡張する方法について広く合意された理論を持っていません。

その他のリソース

特に強力な力について詳しく知りたい場合は、このポッドキャストのエピソードをチェックしてください (新しいタブで開きます) 記事著者ポール・サッターによる。 このビデオで、フェルミラボの科学者ドン リンカーンと一緒に標準モデルのツアーに参加しましょう (新しいタブで開きます). この主題に関する一般的な概要については、「Theory of Most Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics」をチェックしてください。 (新しいタブで開きます) (Penguin Publishing Group、2006 年)、物理学者 Robert Oerter 著。

参考文献

ホデソン、L.ら。 “The Rise of the Standard Model: A History of Particle Physics from 1964 to 1979” (Cambridge University Press 1997)

Cottingham, WN and Greenwood, DA “An Introduction to the Standard Model of Particle Physics” (Cambridge University Press 2007)

Oerter、R.「ほとんどすべての理論:標準モデル、現代物理学の歌われない勝利」(Pi Press 2006)

Bardin, D. および Passarino, G. 「作成中の標準モデル: 電弱相互作用の精密研究」(Clarendon Press 1999)



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