素粒子

素粒子物理学では、素粒子または基本粒子は、他の粒子で構成されていない亜原子粒子です。 ^[1]標準モデルでは現在、17つの異なる粒子（12のフェルミオンと5つのボソン）が認識されています。フレーバーと色の組み合わせと反物質の結果として、フェルミオンとボソンには、それぞれ48と13のバリエーションがあることが知られています。^[2]標準モデルに含まれる61の素粒子には、電子やその他のレプトン、クォーク、基本ボソンがあります。2つ以上の素粒子を含む陽子や中性子などの亜原子粒子は、複合粒子として知られています。

通常の物質は原子で構成されており、原子自体はかつては分割できない素粒子であると考えられていました。原子という名前は、分割できない、または切断できないという意味の古代ギリシャ語のἄτομος (atomos) に由来しています。原子についての理論は何千年も前から存在していましたが、原子の実際の存在は1905年まで議論の的となっていました。その年、アルバート・アインシュタインはブラウン運動に関する論文を発表し、分子を数学的な幻想とみなしていた理論に終止符を打ちました。その後、アインシュタインは物質が究極的にはさまざまなエネルギーの濃度で構成されていることを確認しました。^{[1] [3]}

原子の素粒子構成要素は、 19世紀末に電子から始まり、 1919年に陽子、 1920年代に光子、1932年に中性子と、初めて特定されました。 ^{[1]その頃までに、}量子力学の出現により、 「粒子」の定義は根本的に変化し、粒子は物質波として同時に存在するという理解が提唱されました。^{[4] [5]}

1970年代に標準モデルが体系化されて以来、標準モデルに関する、あるいは標準モデルを超える多くの理論的精緻化が行われてきた。これには、既知の各粒子がはるかに質量の大きい「影の」パートナーと関連していると仮定することで素粒子の数を2倍にする超対称性の概念が含まれる。 ^{[6] [7]}しかし、重力を媒介する追加の素粒子のように、そのようなスーパーパートナーは2024年現在も発見されていない。^{[8] [9] [1]}

すべての素粒子はボソンかフェルミオンのいずれかです。これらのクラスは量子統計によって区別されます。フェルミオンはフェルミ-ディラック統計に従い、ボソンはボース-アインシュタイン統計に従います。[1] スピンはスピン統計定理^によって区別されます。フェルミオンの場合は半整数、ボソンの場合は整数です。

注記:
[†]反電子（
e⁺
）は慣例的に「陽電子」と呼ばれています。
[‡]既知の力の運搬ボソンはすべてスピン = 1 です。仮説上の重力子はスピン = 2 です。これがゲージボソンであるかどうかは不明です。

標準モデルでは、素粒子は予測の有用性のために点粒子として表現される。標準モデルは非常に成功しているが、重力を省略しているという制限があり、また、任意に追加されているが説明されていないパラメータがいくつかある。^[10]

現在のビッグバン元素合成モデルによれば、宇宙の目に見える物質の原始的構成は、質量で約 75% が水素、25% がヘリウム 4 であるはずです。中性子は 1 つのアップクォークと 2 つのダウンクォークで構成され、陽子は 2 つのアップクォークと 1 つのダウンクォークで構成されています。その他の一般的な素粒子 (電子、ニュートリノ、弱いボソンなど) は原子核と比較すると非常に軽いか非常に希少であるため、観測可能な宇宙の総質量に対するそれらの質量の寄与は無視できます。したがって、宇宙の目に見える質量のほとんどは陽子と中性子で構成されており、それらはすべての重粒子と同様にアップクォークとダウンクォークで構成されていると結論付けることができます。

ある推定によると、およそ10観測可能な宇宙には^{80個の重粒子（ほとんどが陽子と中性子）が存在する。 [要出典]}

観測可能な宇宙の陽子の数はエディントン数と呼ばれます。

粒子の数に関して言えば、暗黒物質を除くほぼすべての物質はニュートリノで発生し、ニュートリノはおよそ10億個の大部分を占めると推定されている。目に見える宇宙に存在する^{86個の物質素粒子。 [11]}他の推定では、およそ10^{可視宇宙には97}個の素粒子（暗黒物質は除く）が存在し、そのほとんどは光子やその他の質量のない力の伝達体である。 ^[11]

素粒子物理学の標準モデルには、12種類の基本的なフェルミオンとそれに対応する反粒子、力を媒介する基本的なボソン、そして2012年7月4日に大型ハドロン衝突型加速器（ATLASとCMS）の2つの主要な実験で検出された可能性が高いと報告されたヒッグス粒子が含まれています。 ^{[1]ただし、標準モデルは、}アインシュタインの一般相対性理論と互換性があるかどうか不明であるため、真に基本的な理論というよりも暫定的な理論であると広く考えられています。標準モデルでは説明できない仮想的な素粒子、たとえば重力を運ぶ粒子であるグラビトンや、通常の粒子の超対称パートナーであるスパッタ粒子が存在する可能性があります。 ^[12]

12個の基本フェルミオンは、それぞれ4個の粒子からなる3世代に分かれています 。フェルミオンの半分はレプトンで、そのうち3つは電荷が-1  eの電子（
e⁻
）、ミューオン（
μ⁻
）、タウ（
τ⁻
）；他の３つのレプトンはニュートリノ（
ν
_e、
ν
_μ、
ν
_τ) は、電荷も色荷も持たない唯一の基本フェルミ粒子です。残りの 6 つの粒子はクォークです(後述)。

以下の表は、すべてのフェルミオンの現在測定された質量と質量推定値を、光速の2乗に対する百万電子ボルト（MeV/ c ² ）という同じ尺度を使用してリストしたものです。たとえば、最も正確に知られているクォークの質量はトップクォーク（
t
） でオンシェルスキームを使用して推定された172.7  GeV/ c ²。

クォークの質量の値の推定値は、クォークの相互作用を記述するために使用される量子色力学のバージョンによって異なります。クォークは常にグルーオンのエンベロープ内に閉じ込められており、グルーオンはクォークが発生する中間子と重粒子に非常に大きな質量を与えるため、クォークの質量の値を直接測定することはできません。クォークの質量は周囲のグルーオンの有効質量に比べて非常に小さいため、計算のわずかな違いが質量に大きな違いをもたらします。

これら12個の粒子に対応する12個の基本的なフェルミオン反粒子も存在する。例えば、反電子（陽電子）
e⁺
は電子の反粒子であり、電荷は +1  eです。

孤立したクォークと反クォークはこれまで一度も検出されたことがなく、この事実は閉じ込めによって説明される。すべてのクォークは強い相互作用の3つの色荷のうちの1つを持ち、反クォークも同様に反色荷を持っている。色荷電粒子は、荷電粒子が光子交換を介して相互作用するのと同じように、グルーオン交換を介して相互作用する。しかし、グルーオン自体も色荷電されているため、色荷電粒子が分離すると強い力が増幅される。荷電粒子が分離すると弱まる電磁力とは異なり、色荷電粒子は力が増大するのを感じる。

それにもかかわらず、色を帯びた粒子は結合して、ハドロンと呼ばれる色中立の複合粒子を形成することがあります。クォークは反クォークと対になることがあります。クォークは色を持ち、反クォークは対応する反色を持ちます。色と反色は打ち消し合い、色中立の中間子を形成します。あるいは、3 つのクォークが一緒に存在し、1 つのクォークが「赤」、もう 1 つが「青」、もう 1 つが「緑」になることもあります。これらの 3 つの色のクォークは一緒になって色中立の重粒子を形成します。対称的に、「反赤」、「反青」、「反緑」の色を持つ 3 つの反クォークは色中立の反重粒子を形成できます。

クォークも分数電荷を帯びているが、クォークはハドロン内に閉じ込められており、ハドロン内の電荷はすべて整数であるため、分数電荷が孤立したことはない。クォークの電荷は⁠++2/3⁠  eまたは⁠−+1/3⁠  eですが、反クォークは対応する電荷を持ちます⁠−+2/3⁠  eまたは ⁠++1/3⁠  e .

クォークの存在の証拠は、深非弾性散乱から得られます。深非弾性散乱とは、電子を原子核に発射して、核子（重粒子）内の電荷の分布を決定することです。電荷が均一であれば、陽子の周囲の電場も均一になり、電子は弾性散乱するはずです。低エネルギーの電子はこのように散乱しますが、特定のエネルギーを超えると、陽子は一部の電子を大きな角度で曲げます。反動する電子のエネルギーははるかに小さく、粒子のジェットが放出されます。この非弾性散乱は、陽子内の電荷が均一ではなく、より小さな荷電粒子、つまりクォークに分割されていることを示唆しています。

標準モデルでは、ベクトル（スピン-1）ボソン（グルーオン、光子、W ボソン、Z ボソン）が力を媒介し、ヒッグス粒子（スピン -0）が粒子の固有質量を担います。ボソンは、複数のボソンが同じ量子状態を占めることができるという点でフェルミオンと異なります（パウリの排他原理）。また、ボソンは、光子のように基本的なボソンの場合もあれば、中間子のように組み合わせのボソンの場合もあります。ボソンのスピンは半整数ではなく整数です。

グルーオンは強い相互作用を媒介し、クォークを結合してハドロンを形成します。ハドロンとは、重粒子(3 つのクォーク) または中間子(1 つのクォークと 1 つの反クォーク)のいずれかです。陽子と中性子は重粒子であり、グルーオンによって結合されて原子核を形成します。クォークと同様に、グルーオンは色と反色を示します。これは視覚的な色の概念とは関係なく、粒子の強い相互作用によるものです。グルーオンは組み合わせによって、合計 8 種類のバリエーションになることもあります。

弱いゲージボソンには W ⁺、 W ⁻、 Z ⁰の 3 つがあり、これらは弱い相互作用を媒介します。 W ボソンは原子核崩壊を媒介することで知られています。 W ^{− は}中性子を陽子に変換し、次に電子と電子反ニュートリノのペアに崩壊します。 Z ^{0 は}粒子のフレーバーや電荷を変換するのではなく、運動量を変更します。これは、ニュートリノを弾性散乱させる唯一のメカニズムです。 弱いゲージボソンは、ニュートリノ Z 交換による電子の運動量変化により発見されました。 質量のない光子は電磁相互作用を媒介します。 これら 4 つのゲージボソンは、素粒子間の電弱相互作用を形成します。

弱い力と電磁力は日常のエネルギーでは我々には全く違って見えるが、高エネルギーではこの2つの力は1つの電弱力として統合されると理論化されている。この予測は、 DESYのHERA衝突型加速器での高エネルギー電子-陽子散乱の断面積の測定によって明確に確認された。低エネルギーでの差異はW粒子とZ粒子の質量が大きいことに起因し、これはヒッグス機構の結果である。自発的対称性の破れの過程を通じて、ヒッグスは電弱空間で特別な方向を選択し、その結果3つの電弱粒子が非常に重くなり（弱い粒子）、1つは常に運動しているため未定義の静止質量のままになる（光子）。2012年7月4日、何年も実験的に存在の証拠を探した後、ヒッグス粒子がCERNの大型ハドロン衝突型加速器で観測されたことが発表された。ヒッグス粒子の存在を初めて提唱したピーター・ヒッグスもこの発表に出席した。 ^[14]ヒッグス粒子の質量は約125 GeV/ c ²。^[15]この発見の統計的有意性は5シグマと報告されており、これはおよそ99.99994%の確実性を意味します。素粒子物理学では、これは実験観察を公式に発見と分類するために必要な有意性のレベルです。新しく発見された粒子の特性に関する研究は継続されています。

重力子は、重力を媒介すると提案された仮説上の素粒子で、スピン2である。検出の難しさから未発見のままであるが、素粒子表に含まれることもある。^{[1]従来の重力子は質量がないが、質量を持つ}カルツァ・クライン重力子を含むモデルもいくつか存在する。^[16]

実験的証拠は標準モデルから導かれる予測を圧倒的に裏付けているが、そのパラメータのいくつかは特定の説明によって決定されたものではなく、恣意的に追加されたものであり、例えば階層問題など謎のままである。標準モデルを超える理論は、これらの欠点を解決しようとしている。

標準モデルの拡張の 1 つは、電弱相互作用と強い相互作用を1 つの「大統一理論」(GUT) に統合しようとするものである。このような力は、ヒッグスのようなメカニズムによって自発的に3 つの力に分解される。この分解は高エネルギーで発生すると理論化されており、実験室で統一を観察することは困難である。大統一の最も劇的な予測は、陽子崩壊を引き起こすX ボソンと Y ボソンの存在である。しかし、スーパーカミオカンデニュートリノ観測所で陽子崩壊が観測されていないため、SU(5) や SO(10) などの最も単純な GUT は除外されている。

超対称性は、ラグランジアンに対して別の種類の対称性を追加することによって標準モデルを拡張します。これらの対称性は、フェルミオン粒子をボソン粒子と交換します。このような対称性は、スプレプトン、スクォーク、ニュートラリーノ、およびチャージノを含む、スプレ粒子と略される超対称粒子の存在を予測します。標準モデルの各粒子には、通常の粒子とはスピンが1 ⁄ 2異なるスーパーパートナーが存在します。超対称性の破れにより、スプレ粒子は通常の粒子よりもはるかに重く、非常に重いため、既存の粒子衝突型加速器では生成できないほど強力です。一部の物理学者は、スプレ粒子がCERNの大型ハドロン衝突型加速器で検出されると考えています。

弦理論は、物質を構成するすべての「粒子」が弦（プランク長で測定）で構成され、11次元（主流のM理論による）または12次元（ F理論^[17]による）の宇宙に存在するという物理学のモデルです。これらの弦は、質量、電荷、色荷、スピンなどを決定するさまざまな周波数で振動します。「弦」は開いた状態（線）またはループ状に閉じた状態（1次元の球、つまり円）になります。弦が空間を移動すると、ワールドシートと呼ばれるものを掃き出します。弦理論は、不確定性原理（例えば、水素原子を周回する電子は、小さいながらも、ある瞬間に宇宙のどこか他の場所に存在する可能性がある）を使用して、空間の「構造」の裂け目を防ぐ 1 から 10 の膜（1 の膜は弦、10 の膜は 10 次元の物体）を予測します。

弦理論では、私たちの宇宙は単なる 4 次元膜であり、その中に私たちが観測する 3 つの空間次元と 1 つの時間次元が存在すると提唱されています。残りの 7 つの理論上の次元は、非常に小さく丸まっている (巨視的にアクセスするには小さすぎる) か、単に私たちの宇宙には存在しないか、存在できません (私たちが知っている宇宙の外にある「マルチバース」と呼ばれるより壮大な体系に存在するため)。

弦理論の予測には、基本弦の振動励起により通常の粒子の極めて質量の大きい対応物が存在することや、重力子のように振舞う質量のないスピン 2 粒子が存在することなどが含まれます。

テクニカラー理論は、QCD のような新しい相互作用を導入することで、標準モデルを最小限の方法で修正しようとします。これは、いわゆるテクニグルーオンを介して相互作用する、いわゆるテクニクォークの新しい理論を追加することを意味します。主なアイデアは、ヒッグス粒子は素粒子ではなく、これらのオブジェクトの束縛状態であるということです。

プレオン理論によれば、標準モデルで発見された粒子 (またはそれらのほとんど) よりも基本的な粒子が 1 つ以上存在します。これらの最も基本的な粒子は通常プレオンと呼ばれ、「プレクォーク」に由来します。本質的に、プレオン理論は、標準モデルがそれ以前の粒子動物園に対して行ったことを標準モデルに対して行おうとしています。ほとんどのモデルでは、標準モデルのほぼすべてが、3 から 6 個のより基本的な粒子とそれらの相互作用を支配する規則で説明できると想定されています。最も単純なモデルが 1980 年代に実験的に排除されて以来、プレオンへの関心は薄れています。

アクセレロンは、ニュートリノの新たな質量と宇宙の膨張を加速していると推測される暗黒エネルギーを一体的に結びつける仮説上の素粒子である。^[18]

この理論では、ニュートリノは加速子との相互作用から生じる新しい力の影響を受け、暗黒エネルギーにつながります。暗黒エネルギーは、宇宙がニュートリノを引き離そうとするときに発生します。^[18]加速子は、ニュートリノよりも物質と相互作用する頻度が低いと考えられています。^[19]

• ファインマン、リチャード・フィリップス、ワインバーグ、スティーブン、マッケンジー、ポール・ドゥースト（1991）。素粒子と物理法則：1986年ディラック記念講演。ケンブリッジ、ニューヨーク、ポートチェスター[その他]：ケンブリッジ大学出版局。ISBN 978-0-521-34000-7。
• フォード、ケネス W. (2004)。量子の世界: すべての人のための量子物理学。ロンドン: ハーバード大学出版。ISBN 978-0-674-01342-1。
• グリーン、ブライアン（1999年）。『エレガントな宇宙：超弦理論、隠れた次元、そして究極の理論の探求』ニューヨーク・ロンドン：ノートン。ISBN 978-0-393-05858-1。
• グリビン、ジョン、グリビン、メアリー、グリビン、ジョナサン (1998)。Q is for quantum: an encyclopedia of particles physics。ニューヨーク、NY: Free Press。ISBN 978-0-684-85578-3。
• オーター、ロバート (2006)。『ほぼすべての理論：標準モデル、現代物理学の知られざる勝利』。ニューヨーク、ニューヨーク：パイ・プレス。ISBN 978-0-452-28786-0。
• シュム、ブルース A. (2004)。『Deep down things: the Breathtaking beauty of the particles physics』。ボルチモア：ジョンズ・ホプキンス大学出版局。ISBN 978-0-8018-7971-5。
• ヴェルトマン、マルティヌス（2003）。素粒子物理学の事実と謎。ワールドサイエンティフィック。ISBN 978-981-238-149-1。
• クローズ、フランク（2004年）。『素粒子物理学：非常に短い入門』オックスフォード：オックスフォード大学出版局。ISBN 978-0-19-280434-1。
• セイデン、アブラハム（2005年）。素粒子物理学：包括的な入門。アディソン・ウェスリー。ISBN 978-0-8053-8736-0。

• ベッティーニ、アレッサンドロ (2008)。素粒子物理学入門。ケンブリッジ：ケンブリッジ大学出版局。ISBN 978-0-521-88021-3。
• ガイ・D・コーグラン、ジェームズ・エドマンド・ドッド（1994年）。素粒子物理学の考え方：科学者のための入門（第2版、再版）。ケンブリッジ：ケンブリッジ大学出版局。ISBN 978-0-521-38677-7。物理学を専攻していない人のための学部生向けテキスト。
• グリフィス、デイビッド・ジェフリー（1987年）。素粒子入門。ニューヨーク・チチェスター・ブリスベン[他]：J.ワイリー・アンド・サンズ。ISBN 978-0-471-60386-3。
• ケイン、ゴードン L. (1987)。現代素粒子物理学(第 2 版)。カリフォルニア州レッドウッドシティ:アディソンウェスレー。ISBN 978-0-201-11749-3。
• パーキンス、ドナルド H. (2000)。高エネルギー物理学入門（第 4 版）。ケンブリッジ、ニューヨーク：ケンブリッジ大学出版局。ISBN 978-0-521-62196-0。

素粒子物理学に関する現在の実験的および理論的知識に関する最も重要なアドレスは、粒子データグループです。ここでは、さまざまな国際機関がすべての実験データを収集し、現在の理論的理解について短いレビューを行っています。

• 「粒子データグループ（ホームページ）」

他のページは次のとおりです:

• 物理学者以外の人にも分かりやすい入門書、particleadventure.org
• CERNクーリエ：ヒッグスとメロドラマの季節 2008-07-23 にWayback Machineでアーカイブ
• Interactions.org、素粒子物理学ニュース
• フェルミ国立加速器研究所とSLACの共同刊行物「Symmetry Magazine」
• 素粒子を思考可能に、物理的特性を比較できるインタラクティブな視覚化