素粒子物理学の歴史

物質はより小さな粒子から成り、自然界には限られた種類の基本的な最小粒子が存在するという考えは、少なくとも紀元前 6 世紀から自然哲学に存在してきました。このような考えは 19 世紀から物理的に信憑性を獲得しましたが、「素粒子」の概念はその意味においていくつかの変化を遂げました。特に、現代物理学ではもはや素粒子は破壊不可能であるとは見なされていません。素粒子であっても崩壊したり、破壊的に衝突したりすることがあります。つまり、存在しなくなり、結果として (他の) 粒子を生成することがあります。

ますます小さな粒子が発見され、研究されています。その中には、原子から構成される分子があり、原子は亜原子粒子、つまり原子核と電子で構成されています。さらに多くの種類の亜原子粒子が発見されています。そのような粒子のほとんど（電子を除く）は、最終的にクォークなどのさらに小さな粒子で構成されていることがわかりました。素粒子物理学では、これらの最小の粒子を研究します。原子核物理学では、原子核とその（直接の）構成要素である陽子と中性子を研究します。

すべての物質が素粒子で構成されているという考えは、紀元前6世紀にまで遡る。^[1]古代インドのジャイナ教徒は、紀元前9世紀から5世紀の間に、物質の特定の性質を最初に主張した。パールシュヴァナータやマハーヴィーラなどのジャイナ教の指導者によると、アジーヴァ（宇宙の無生物部分）は、ペルマヌと呼ばれる数え切れないほど小さな目に見えない粒子でできた、定形または不定形の物質またはプドガラで構成されている。ペルマヌは空間点を占め、各ペルマヌは定まった色、匂い、味、質感を持っている。無限の種類のペルマヌが結合してプドガラを形成する。^[2]原子論の哲学的教義と素粒子の性質は、レウキッポス、デモクリトス、エピクロスなどの古代ギリシャの哲学者、カナダ、ディグナーガ、ダルマキールティなどの古代インドの哲学者によっても研究された。イスラムの科学者であるイブン・アル＝ハイサム、イブン・スィーナー、モハメッド・アル＝ガザーリー、そして近世ヨーロッパでは物理学者のピエール・ガッサンディ、ロバート・ボイル、アイザック・ニュートンによって光の粒子説が提唱された。光の粒子説もイブン・アル＝ハイサム、イブン・スィーナー、ガッサンディ、ニュートンによって提唱された。

こうした初期のアイデアは、実験や経験的観察ではなく抽象的、哲学的推論を通じて確立されたものであり、多くの考え方のうちの 1 つの考え方を表しているにすぎません。対照的に、ゴットフリート・ヴィルヘルム・ライプニッツの特定のアイデア(モナドロジーを参照) は、現代物理学で知られているほぼすべてのことと矛盾しています。

19世紀、ジョン・ドルトンは化学量論の研究を通じて、各化学元素は単一の独特な種類の粒子で構成されているという結論を下しました。ドルトンと彼の同時代人は、これらが自然界の基本粒子であると信じ、ギリシャ語の「分割できない」^{[3]または「切断されていない」を意味する}アトモスにちなんで、それらを原子と名付けました。しかし、19世紀の終わりごろ、物理学者は、ドルトンの原子は実際には自然界の基本粒子ではなく、さらに小さな粒子の集合体であることを発見しました。

1800 年代を通じて、科学者たちは電気と磁気の多くの現象を研究し、ジェームズ・クラーク・マクスウェルによる正確な理論に至りました。^{[4]この理論は、}光を伝えるエーテルのアイデアを中心に開発された連続場モデルでした。実験ではそのようなエーテルの証拠が得られず、原子モデルを支持する証拠が増えてきたことを考慮して、ヘンドリック・アントーン・ローレンツは「イオン」に基づく電磁気学の理論を開発し、マクスウェルのモデルを再現しました。^{[5] : 77}

電子は、1879年から1897年の間にウィリアム・クルックス、アーサー・シュスター、JJトムソン、その他の物理学者の研究で発見されました。その電荷は、1909年の油滴実験でロバート・アンドリュース・ミリカンとハーヴェイ・フレッチャーによって注意深く測定されました。物理学者は、負に帯電した電子が、何らかの（まだ知られていない）正に帯電した物質とともに「原子」の構成要素であると理論化し、後にそれが確認されました。電子は、発見された最初の基本的な、真に基本的な粒子となりました。

放射能の研究により、すぐに放射性崩壊の現象が明らかになり、化学元素を自然の基本要素とみなすことに反対する別の議論が生まれました。これらの発見にもかかわらず、原子という用語はドルトンの（化学）原子に固執し、現在では化学元素の最小の粒子を意味し、実際には分割できないものではありません。

20世紀初頭の物理学者は、電磁力と重力という2つの基本的な力しか知りませんでしたが、重力では原子の構造を説明できませんでした。そのため、未知の正電荷を帯びた物質がクーロン力によって電子を引き付けると仮定するのは当然でした。

1909年、アーネスト・ラザフォードとトーマス・ロイズは、アルファ粒子が2つの電子と結合してヘリウム原子を形成することを実証しました。現代の言葉で言えば、アルファ粒子は二重に電離したヘリウム（より正確には、⁴
彼
) 原子。原子の構造についての推測は、1907 年にラザフォードが行った金箔の実験によって大幅に制限されました。この実験では、原子は主に空の空間であり、その質量のほとんどすべてが小さな原子核に集中していることが示されました。

1914年までに、アーネスト・ラザフォード、ヘンリー・モーズリー、ジェームズ・フランク、グスタフ・ヘルツによる実験により、原子の構造は正電荷の高密度核とその周囲の低質量電子であることがほぼ確立されました。^{[6]これらの発見は、}放射性崩壊やその他の形態の元素変換、さらには元素そのものの 性質を解明しました。原子番号とは、特定の原子の原子核の（正の）電荷に他ならないと思われました。電磁相互作用によって支配される化学変化では原子核は変化しません。そのため、元素は化学的に破壊できません。しかし、原子核が電荷や質量を変えると（粒子を放出または捕獲することにより）、原子は別の元素のものになることができます。特殊相対性理論は、質量欠損が反応で生成または消費されるエネルギーとどのように関係しているかを説明しました。原子核の変化と構造を研究する物理学の分野は現在、原子核物理学と呼ばれており、原子核の側面のほとんどを無視して原子の構造と特性を研究する原子物理学とは対照的です。ボーアモデルなどの初期の量子物理学の発展により、ほとんどが空の原子の体積における電子の配置の観点から 化学が理解されるようになりました。

1918年、ラザフォードは水素原子核が正の電荷を持つ粒子であることを確認し、これを陽子と名付けました。その頃までに、フレデリック・ソディの放射性元素の研究、およびJJトムソンとFWアストンの実験により、原子番号が同じであるにもかかわらず質量が異なる同位体の存在が決定的に実証されていました。これによりラザフォードは、水素以外のすべての原子核には電荷を持たない粒子が含まれていると推測し、これを中性子と名付けました。原子核がいくつかの小さな粒子（現在では核子と呼ばれています）で構成されているという証拠が増え、陽子が静電的に反発するのに対し、核子は何らかの新しい力（核力）によって引き合うことが明らかになりました。これは、 1939年にリーゼ・マイトナー（オットー・ハーンの実験に基づく）による核分裂の証明、および同年のハンス・ベーテによる核融合の証明で最高潮に達しました。これらの発見により、ある原子から別の原子を生成する活発な産業が生まれ、鉛を金に変換することも可能になった（おそらく利益は出ないだろうが）。また、同じ発見が核兵器の開発にもつながった。

原子や核の構造をさらに理解するには、粒子の本質に関する知識を向上させることが必要不可欠でした。実験や理論の改良 (エルヴィン・シュレーディンガーの「電子波」など)により、粒子と波の間には基本的な違いがないことが徐々に明らかになりました。たとえば、電磁波は光子と呼ばれる粒子の観点から再定式化されました。また、物体は、古典物理学で考えられていたように、総エネルギー、位置、運動量などのパラメータを時間の連続関数として変化させないことも明らかになりました。たとえば、 原子の電子遷移を参照してください。

もう一つの重要な発見は、同一粒子、より一般的には量子粒子統計でした。すべての電子は同一であることが確立されました。異なるパラメータを持つ2つ以上の電子が同時に存在することはできますが、それらは別々で区別可能な履歴を保持していません。これは、陽子、中性子、そして（ある程度の違いはあるものの）光子にも当てはまります。これは、宇宙には最小の粒子の種類が限られていることを示唆しています。

スピン統計定理は、時空内のあらゆる粒子はボソン（つまり、その統計はボーズ・アインシュタイン）かフェルミオン（つまり、その統計はフェルミ・ディラック）のいずれかになり得ることを確立しました。後に、すべての基本ボソンは、光を伝達する光子のように力を伝達することが分かりました。非基本ボソン（つまり、中間子）の一部も、非基本ボソンではありますが、力を伝達する可能性があります（下記参照）。フェルミオンは「電子や核子のような」粒子であり、一般に物質を構成します。フェルミオンの総数が偶数である亜原子粒子または原子粒子（陽子 、中性子、電子など）はすべてボソンであるため、ボソンは必ずしも力を伝達するとは限らず、通常の物質粒子になり得ることに注意してください。

スピンは、ボソンとフェルミオンを区別する量です。実際には、スピンは粒子の固有の角運動量として現れ、粒子の運動とは無関係ですが、磁気双極子などの他の特徴と結びついています。理論的には、スピンは対称群の異なるタイプの表現、つまり整数 ( ħ単位) スピンを持つボソンのテンソル表現 (ベクトルとスカラーを含む)と半整数スピンを持つフェルミオンのスピノル表現から説明されます。

粒子の世界に対する理解が深まるにつれ、物理学者は、 1928 年のディラックの陽電子(ディラックの海モデルに基づく) や1930 年のパウリのニュートリノ(ベータ崩壊におけるエネルギーと角運動量の保存則に基づく) などの大胆な予測を行うようになりました。どちらも後に確認されました。

これは量子場理論のアイデアの形成に至った。これらの理論の最初の（そして数学的に唯一の）量子電気力学は、周期表や原子スペクトルを含む原子の構造を徹底的に説明することを可能にしました。量子力学と量子場理論のアイデアは原子核物理学にも適用されました。たとえば、α崩壊は核ポテンシャルを通る量子トンネル効果として説明され、核子のフェルミオン統計は核子のペアリングを説明しました。湯川秀樹は核力を説明するために、 ある種の仮想粒子（現在ではπ中間子として知られている）を提唱した。

核モデル（液滴モデルや核殻モデルなど）の開発により、核種の性質の予測が可能になった。核子間相互作用の既存のモデルでは、これよりも複雑なものを解析的に計算することはできない。⁴
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ただし、これは量子力学の原理に基づいています (原子内の電子殻の完全な計算もまだ不可能であることに注意してください)。

1940年代に最も発展した原子物理学の分野は、その軍事的重要性から、原子核分裂に関する研究でした。核分裂関連の問題の主な焦点は、原子核と中性子の相互作用、つまり核分裂爆弾と原子核分裂炉で発生するプロセスです。これは徐々に他の素粒子物理学から離れていき、事実上、原子核工学になりました。中性子捕獲とそれに続くβ崩壊を通じて、最初に合成された超ウラン元素^もこの文脈で得られました。

フェルミウムを超える元素は、この方法では生成できません。原子核あたり 100 個を超える陽子を持つ核種を生成するには、原子核を加速して衝突させるなど、素粒子物理学の目録と方法を使用する必要があります (詳細は下記を参照)。徐々に重くなる合成元素の生成は、原子核物理学の一分野として 21 世紀まで続けられましたが、科学的な目的に限られていました。

原子核物理学における3番目の重要な流れは、核融合に関する研究です。これは、熱核兵器（および平和的な熱核エネルギーの構想）と関連しているほか、恒星元素合成やビッグバン元素合成などの天体物理学の研究にも関連しています。

1950 年代には、粒子加速器の開発と宇宙線の研究により、数百MeV程度のエネルギーを持つ陽子 (およびその他の原子核) の非弾性散乱実験が手頃な価格で実施できるようになりました。これらの実験により、寿命の短い共鳴「粒子」がいくつか生成されましたが、異常に長い寿命を持つハイペロンとK 中間子も生成されました。後者の原因は、ストレンジネスと呼ばれる新しい準保存量にあり、弱い相互作用を除くすべての状況で保存されます。重い粒子のストレンジネスとμ レプトンのストレンジネスは、現在では第 2 世代の基本粒子として知られているものの最初の 2 つの兆候でした。

弱い相互作用によって、すぐにまた別の謎が明らかになりました。1957 年に呉健雄は、この相互作用がパリティを保存しないことを証明しました。言い換えれば、基本的な対称性法則としてのミラー対称性が反証されたのです。

1950 年代から 1960 年代にかけて、粒子加速器と粒子検出器の改良により、高エネルギー実験で驚くほど多様な粒子が発見されました。素粒子という用語は、数十の粒子を指すようになりましたが、そのほとんどは不安定でした。これは、ヴォルフガング パウリの「これを予見していたら、植物学の道に進んでいただろう」という発言につながりました。その全コレクションは「粒子動物園」というニックネームで呼ばれました。目に見えないいくつかのより小さな構成要素が、当時知られていた粒子のほとんどを占める中間子と重粒子を形成することが明らかになりました。

これらの粒子の散乱と崩壊による相互作用は、新しい基本的な量子理論の鍵となった。マレー・ゲルマンとユヴァル・ネーマンは、最も多くの種類の粒子である中間子と重粒子を特定の性質に従って分類することで、ある程度の秩序をもたらした。それはゲルマンが「八重の道」と呼んだものから始まり、いくつかの異なる「八重項」と「十重項」へと進み、新しい粒子を予測することができた。最も有名なのは、
Ω⁻
これは1964年にブルックヘブン国立研究所で検出され、ハドロン構成のクォーク模型を生み出した。クォーク模型は当初強い核力を説明するには不十分であるように思われ、 S行列理論などの競合する理論が一時的に登場したが、 1970年代に量子色力学が確立されたことで、一連の基本粒子と交換粒子が完成した(Kragh 1999)。この模型では、クォークが経験しグルーオンが媒介する基本的な強い相互作用が仮定された。これらの粒子は、ハドロンの構成材料として提案された(ハドロン化を参照)。この理論は、電子と原子核をイオン化エネルギーを原子に移すことで分離できる複合原子の状況とは異なり、個々の(自由)クォークを観察できない(色の閉じ込めを参照)という点で珍しい。

その後、古くて幅広い意味を持つ「素粒子」という用語が廃止され、代わりの用語である「素粒子」が「動物園」全体を網羅するようになりました。その下位概念である「ハドロン」は、クォークモデルによって直接説明される複合粒子を指します。「素粒子」(または「基本粒子」) という呼称は、レプトン、クォーク、その反粒子、および基本的な相互作用の量子(以下を参照) のみに限定されました。

量子場理論（上記参照）では粒子と相互作用の間に違いはないと仮定しているため、素粒子の分類によって相互作用と場も分類できるようになりました。

現在では、多数の粒子と（非基本的）相互作用は、（比較的）少数の基本物質の組み合わせとして説明されており、基本的相互作用（基本ボソンに具現化）、クォーク（反粒子を含む）、およびレプトン（反粒子を含む）であると考えられています。理論がいくつかの基本的相互作用を区別したため、どの素粒子がどの相互作用に参加するかを確認できるようになりました。具体的には、

• すべての粒子は重力に関与します。
• すべての荷電素粒子は電磁相互作用に参加します。
  • その結果、中性子は電荷がゼロであるにもかかわらず、磁気双極子によってこれに加わります。これは、中性子が電荷の合計がゼロになる荷電クォークで構成されているためです。
• すべてのフェルミオンは弱い相互作用に参加します。
• クォークは、グルーオン（自身の量子）とともに強い相互作用に参加しますが、レプトンやグルーオン以外の基本ボソンは参加しません。

次のステップは、基本的な相互作用の数を減らすことであり、20世紀初頭の物理学者によって「統一場理論」として構想されました。最初の成功した現代の統一理論は、アブドゥス・サラム、スティーブン・ワインバーグ、続いてシェルドン・グラショーによって開発された電弱理論でした。この開発は、1970年代に強い相互作用も含む、3つの基本的な力をカバーした標準モデルと呼ばれる理論の完成で最高潮に達しました。標準モデルで予見されたZボソンによって媒介される中性弱カレント[7] [8] [9] [10]の存在がCERNで発見された後、物理学者の^{サラム、グラショー、}ワインバーグは、電弱理論により1979年のノーベル物理学賞を受賞しました。^{[11] 1980年代の}弱いゲージボソン（弱い相互作用の量子） の発見と1990年代のその特性の検証は、素粒子物理学における統合の時代であると考えられています。

加速器は、さまざまな衝突エネルギーで予想される粒子の相互作用を検出することで標準モデルのほとんどの側面を確認しましたが、一般相対性理論と標準モデルを調和させる理論はまだ見つかっていません。ただし、多くの理論家は超対称性理論と弦理論が有望な道であると信じていました。しかし、2008年に稼働を開始した大型ハドロン衝突型加速器は、超対称性理論と弦理論を支持する証拠をまったく見つけることができず、 ^[12]見つける可能性は低いようです。つまり、「基礎理論の現状は、まったく新しいアイデアがまったくないという深刻な状況です。」^[13]この状況は物理学の危機としてではなく、デイビッド・グロスが言ったように、「発見が最終的に超越する、許容できる科学的混乱の一種」として見なされるべきです。^[14]

4 番目の基本的な相互作用である重力は、まだ一貫した形で素粒子物理学に統合されていません。

2011年の時点で、粒子に静止質量を与えると考えられている場の量子であるヒッグス粒子は、標準モデルの検証されていない唯一の粒子のままでした。2012年7月4日、CERNの大型ハドロン衝突型加速器で働いていた物理学者は、ヒッグス粒子に非常によく似た新しい亜原子粒子を発見したと発表しました。これは、素粒子が質量を持つ理由を理解し、宇宙の多様性と生命の存在を理解するための潜在的な鍵です。^{[15] CERNの}ロルフディーターホイヤー所長は、それが完全に新しい質量のある粒子（これまでで最も重い亜原子粒子の1つ）であるのか、それとも、過去半世紀にわたって物理学を支配してきた理論である標準モデルによって予測されたとらえどころのない粒子であるのかを確実に知るには時期尚早であると述べました。 ^[15]この粒子が偽物なのか、単一の粒子なのか、あるいはまだ発見されていない多くの粒子の最初のものなのかは不明です。後者の可能性は物理学者にとって特に刺激的である。なぜなら、標準モデルを超えて、現実の性質に関するより深い新しい考えへの道を示す可能性があるからだ。今のところ、一部の物理学者はそれを「ヒッグスのような」粒子と呼んでいる。^[15]カリフォルニア大学サンタバーバラ校のジョー・インカンデラは、「これは、例えばクォークの発見にまで遡る、この分野での過去30年から40年におけるあらゆる新現象の中で、最終的には最大の観測の1つになるかもしれない」と述べた。^[15]衝突型加速器の大型検出器を操作するグループは、その信号が偶然の変動の結果である可能性は、物理学における発見のゴールドスタンダードである、いわゆる「5シグマ」の350万分の1未満であると述べた。シカゴ大学の宇宙論学者で物理学センターの理事長であるマイケル・ターナーは、次のように述べた。

これは素粒子物理学にとって大きな瞬間であり、岐路に立たされています。これは最高潮となるのでしょうか、それとも私たちが提起した本当に大きな疑問を解決する方向を指し示す多くの発見の最初のものとなるのでしょうか。

— マイケル・ターナー、シカゴ大学^[15]

ヒッグス粒子、あるいはそれに非常によく似た何かが確認されれば、半世紀もの間その粒子が存在すると信じながら一度も見たことがない世代の物理学者にとっては運命との出会いとなるだろう。さらに、それは、宇宙が単純かつ優雅で対称的な法則に支配されているという壮大な見解を裏付けるものであり、その宇宙における興味深いことはすべて、その対称性の欠陥や破れの結果である。^[15]標準モデルによれば、ヒッグス粒子は、空間に浸透し、質量のない素粒子に質量を与える目に見えない力場の、目に見える形で特定の形で現れた唯一のものである。このヒッグス場、あるいはそれに似た何かがなければ、すべての基本物質が光速で飛び回り、原子も生命も存在しないだろうと物理学者は言う。ヒッグス粒子は、抽象物理学では珍しい悪評を得た。^[15]フェルミ国立加速器研究所の元所長レオン・レーダーマンは、同僚たちの永遠の失望をよそに、同名の著書の中でこの粒子を「神の粒子」と呼び、後に「忌々しい粒子」と呼びたかったと皮肉った。^[15]インカンデラ教授はまた、次のように述べている。

このボソンは、私たちが発見した非常に重要なものです。私たちは、これまでにないレベルで宇宙の構造に迫っています。ある意味で、1 つの粒子の物語を完結したのです [...] 私たちは今、新たな探究の端、フロンティアにいます。これは、物語の残された唯一の部分である可能性もありますが、まったく新しい発見の領域を切り開く可能性もあります。

— ジョー・インカンデラ、カリフォルニア大学^[16]

ピーター・ヒッグス博士は、3つの独立したグループで研究していた6人の物理学者の1人で、1964年に宇宙糖蜜、つまりヒッグス場の概念を発明した。他の3人は、ロンドン大学インペリアル・カレッジのトム・キブル、ロチェスター大学のカール・ハーゲン、ブラウン大学のジェラルド・グラルニク、ブリュッセル自由大学のフランソワ・アングレールとロバート・ブロートである。^[15]彼らの理論の1つの意味は、このヒッグス場は、適切な量のエネルギーで十分に強く衝突すると、独自の量子粒子を生成するということだった。この粒子は壊れやすく、自身の質量に応じて12通りの方法で100万分の1秒以内に崩壊する。残念ながら、この理論は粒子の質量を予測していなかったため、見つけるのが困難だった。この粒子は、次々と粒子加速器の研究者の手に落ちた。^{[15] [より良い情報源が必要]}

さらなる実験が続けられ、2013年3月に新たに発見された粒子がヒッグス粒子であることが暫定的に確認されました。

ヒッグス場はこれまで観測されたことはないが、宇宙理論や弦理論において重要な役割を果たしている。アインシュタイン物理学の奇妙な説明によれば、特定の条件下では、ヒッグス場は反重力力を及ぼすエネルギーで満たされる可能性がある。このような場は、宇宙初期のインフレーションと呼ばれる巨大な膨張の源として提案されており、現在宇宙の膨張を加速させていると思われるダークエネルギーの秘密である可能性もある。^[15]

• クラグ、ヘルゲ（1999）、量子世代：20世紀の物理学の歴史、プリンストン：プリンストン大学出版局。