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素粒子物理学において、ブートストラップモデル、ブートストラップ原理、またはハドロンブートストラップは、強い核相互作用の下で相互作用する素粒子の構成に関する、現在では廃れた仮説である。これは、一般的な整合性基準を用いて、粒子のスペクトルに関する仮定から量子場理論の形式を決定する。これはS行列理論の一形態である。この用語は、「ブートストラップで自分を引っ張る」という意味でのブートストラップから派生しており、粒子は自己整合性から現れる。[ 1 ]
これは、強い相互作用を介して相互作用する粒子を説明するために、 1959 年にジェフリー・チューによって初めて提案されました。[ 2 ] [ 3 ] 1970 年代には、クォークとグルーオンと呼ばれる素粒子の観点からハドロン(中間子とバリオン)を記述する量子色力学の台頭により、人気がなくなりました。それでも、ブートストラップモデルは弦理論の発展にとって重要でした。
1943年、ヴェルナー・ハイゼンベルクはS行列の性質に基づいた理論を構築した。ハイゼンベルクのプログラムはすぐには真剣に受け止められなかったが、1950年代にはスタンレー・マンデルスタム、マレー・ゲルマン、スティーブン・フラウチ、フランシス・E・ロウなどの科学者が彼のアイデアを利用してS行列理論を発展させた。[ 4 ]
1960年代、素粒子動物園に増え続けるハドロンのリストを見て、物理学者たちは強い相互作用の性質を再定式化する必要があると考えるようになった。ジェフリー・チューとマンデルスタムは、標準的な量子場理論を否定し、S行列理論に基づいてハドロンの理論を構築しようと試みた。 [ 5 ]チューは、ハイゼンベルクの研究を知らずに、すべてのハドロンを同じ相互作用の現れとみなし、1961年に初めて「ブートストラップ仮説」という用語を使用した。[ 4 ]ゲルマンの示唆に従い、チューは核民主主義、つまり他のハドロンよりも基本的なハドロンは存在しないという考えを提唱した。[ 5 ] [ 4 ]この考えは、量子電磁力学の「貴族主義的」なイメージとは対照的であった。[ 4 ]
1962年、フレドリック・ザカリアセンとチャールズ・ゼマッハはブートストラップモデルを用いて、粒子加速器で最近発見されたパイ中間子散乱の共鳴であるρ中間子の特性を導出した。彼らはρ中間子の質量を妥当な精度で導出した。[ 4 ]
その後すぐに、 1964年にゲルマンとジョージ・ツヴァイクによって提案されたクォークモデルが登場し、ハドロンはクォークと呼ばれるより基本的な粒子で構成されていることを示唆したが、クォークは物理的なものではなく、単なる数学的な人工物であるという意見が主流であった。[ 5 ]
1967年のソルベイ会議で、チューとゲルマンはそれぞれの理論を発表した。ゲルマンはブートストラップモデルと自身のクォークモデルを結びつけようとした。これは素粒子物理学に関する最後のソルベイ会議だった。[ 6 ]ゲルマンは一般的に、2つのモデルの間に矛盾があるとは考えていなかった。[ 4 ]
1967年から1973年にかけて、SLAC国立加速器研究所で行われた深非弾性散乱実験によりクォークの存在が確認され、ブートストラップモデルは量子色力学の発展によって取って代わられた。[ 5 ] [ 7 ]ブートストラップ理論は実験によって否定されたことはなかったが、約束を果たしていないため不十分であると考えられていた。[ 4 ]
チューと他の科学者たちは、他のシステムのためのブートストラップモデルの研究を続けました。[ 4 ] 1969年、ガブリエレ・ヴェネツィアーノはブートストラップ法を用いてヴェネツィアーノ振幅公式を構築し、それが弦理論の発展につながりました。[ 5 ]
このプログラムが成功する見込みがあったのは、粒子間の力が粒子交換によって決定されるという原理である交差の原理があったからである。粒子のスペクトルが分かれば、力の法則が分かるので、スペクトルはこれらの力の作用によって形成される束縛状態に制約されることになる。整合性条件を解決する最も簡単な方法は、スピンが1以下の素粒子をいくつか仮定し、場の理論を通して摂動的に散乱を構築することであるが、この方法ではスピンが1より大きい複合粒子は許容されず、当時未発見だった閉じ込め現象がなければ、ハドロンの観測されたレッジ挙動と素朴に矛盾する。
チューとその支持者たちは、交差対称性とレッジ挙動を利用して、無限に多くの粒子タイプに対して一貫性のあるS行列を定式化できると信じていた。レッジ仮説はスペクトルを決定し、交差と解析性は散乱振幅（力）を決定し、ユニタリ性はループを含めるのと同様の方法で自己無撞着な量子補正を決定する。このプログラムを完全に成功裏に実装するには、ユニタリ性の数学を整理するための別の仮定（狭い共鳴近似）が必要だった。これは、すべてのハドロンが第一近似で安定粒子であり、散乱と崩壊を摂動として考えることができることを意味する。これにより、無限に多くの粒子タイプを持つブートストラップモデルを場の理論のように構築することが可能になった。最低次の散乱振幅はレッジ挙動を示し、ユニタリ性は次数ごとにループ補正を決定する。
ブートストラップ理論の研究者の多くは、定義上の問題に悩まされていた量子場理論は、高エネルギー領域では根本的に矛盾していると考えていた。中には、無限に多くの粒子種を必要とし、その形式は整合性のみによって求められる、ただ一つの整合性のある理論が存在すると考える者もいた。しかし、現在ではこれは誤りであることが分かっている。なぜなら、非摂動的に整合性のある理論は多数存在し、それぞれが独自のS行列を持っているからである。狭共鳴近似を用いなければ、ブートストラップ理論には明確な展開パラメータがなく、整合性方程式は複雑で扱いにくいものになりがちだったため、この手法の成功は限定的だった。これが弦理論の発展につながったのである。
ジェフリー・チューは、ハドロンに適用される部分的な仮説と完全なブートストラップ仮説の2種類のブートストラップ仮説を検討した。後者は、「自然が現状のままであるのは、それがそれ自身と矛盾しない唯一の可能な自然だからである」と主張した。この形而上学的なバージョンは、ゴットフリート・ヴィルヘルム・ライプニッツの哲学と類似点がある。しかし、チューは完全なブートストラップ哲学を展開することはなく、様々な時期にこの広範な仮説は非生産的で非科学的であると考えていた。[ 4 ]
ブートストラップ哲学は、特にヘンリー・スタップとフリチョフ・カプラをはじめとする基礎物理学グループによって再利用された。 1975年のニューエイジの著書『物理学の道』の中で、カプラは量子場理論よりも、大乗仏教と結び付けた民主的なS行列理論哲学を支持している。カプラは、ブートストラップ哲学は「西洋の基礎科学へのアプローチにおける根本的な断絶」であり、相対性理論や量子力学と同等かそれ以上の影響力を持つと考えていた。[ 4 ]
ポストモダニズムや社会構築主義の研究者たちは、ブートストラップ理論について議論してきた。英文学教授のロバート・マークリーは、ブートストラップ・プログラムの衰退は科学的というよりイデオロギー的なものだと考えた。[ 4 ]