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素粒子物理学、あるいは高エネルギー物理学とは、物質や放射線を構成する基本的な粒子と力を研究する学問である。この分野では、陽子や中性子のスケールまでの素粒子の組み合わせも研究対象としており、陽子と中性子の組み合わせの研究は原子核物理学と呼ばれる。
宇宙の基本粒子は、標準模型ではフェルミオン（物質粒子）とボソン（力を伝達する粒子）に分類されます。フェルミオンには3つの世代がありますが、通常の物質は第1世代のフェルミオンのみで構成されています。第1世代は、陽子と中性子、電子と電子ニュートリノを形成するアップクォークとダウンクォークからなります。ボソンによって媒介されることが知られている3つの基本的な相互作用は、電磁気力、弱い相互作用、強い相互作用です。
クォークはハドロンを構成するが、単独では存在できない。奇数個のクォークを含むハドロンはバリオン、偶数個のクォークを含むハドロンはメソンと呼ばれる。陽子と中性子という2つのバリオンが、通常の物質の質量の大部分を占めている。メソンは不安定で、最も寿命の長いものでもわずか数百分の1マイクロ秒しか存在しない。メソンは、宇宙線中の高速な陽子や中性子など、クォークでできた粒子同士の衝突によって生成される。メソンはサイクロトロンやその他の粒子加速器でも生成される。
粒子には、質量は同じだが電荷が反対の反粒子が存在する。例えば、電子の反粒子は陽電子である。電子は負の電荷を持ち、陽電子は正の電荷を持つ。これらの反粒子は、理論的には反物質と呼ばれる対応する物質を形成する可能性がある。光子のように、それ自体が反粒子である粒子も存在する。
これらの素粒子は、それらの相互作用を支配する量子場の励起状態である。これらの基本粒子と量子場、そしてそれらのダイナミクスを説明する主要な理論は、標準模型と呼ばれている。重力と現在の素粒子物理学理論との整合性は未解決であり、ループ量子重力、弦理論、超対称性理論など、多くの理論がこの問題に取り組んできた。
実験素粒子物理学は、放射性過程や大型ハドロン衝突型加速器（LHC）などの粒子加速器におけるこれらの粒子の研究である。理論素粒子物理学は、宇宙論や量子論の文脈におけるこれらの粒子の研究である。この2つは密接に関連しており、ヒッグス粒子は実験によって確認される前に理論的に提唱された。
すべての物質が基本的に素粒子で構成されているという考えは、少なくとも紀元前6世紀に遡ります。[ 1 ] 19世紀には、ジョン・ドルトンが化学量論の研究を通して、自然界の各元素は単一の固有の種類の粒子で構成されていると結論付けました。[ 2 ]それ以来、「分割できない」という意味のギリシャ語atomosにちなんで、原子という言葉は化学元素の最小粒子を表すようになりましたが、物理学者は後に、原子は実際には自然界の基本粒子ではなく、電子などのさらに小さな粒子の集合体であることを発見しました。20世紀初頭の原子核物理学と量子物理学の探求は、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、そして同年ハンス・ベーテによる核融合の証明につながり、これらの発見はいずれも核兵器の開発にもつながりました。ベーテによる1947年のラムシフトの計算は、「素粒子物理学の現代への道を開いた」と評価されている。[ 3 ]
1950年代から1960年代にかけて、ますます高エネルギーのビームからの粒子の衝突で、驚くほど多様な粒子が発見されました。これは非公式に「粒子動物園」と呼ばれていました。ジェームズ・クローニンとヴァル・フィッチによるCP対称性の破れなどの重要な発見は、物質と反物質の不均衡に新たな疑問をもたらしました。[ 4 ] 1970年代に標準模型が定式化された後、物理学者たちは粒子動物園の起源を明らかにしました。多数の粒子は、（比較的）少数のより基本的な粒子の組み合わせとして説明され、量子場理論の枠組みで捉えられました。この再分類は、現代素粒子物理学の始まりとなりました。[ 5 ] [ 6 ]
すべての素粒子の分類の現状は、クォークの存在が実験的に確認された後、1970年代半ばに広く受け入れられた標準模型によって説明される。標準模型は、媒介となるゲージボソンを用いて、強い相互作用、弱い相互作用、および電磁気的相互作用を記述する。ゲージボソンの種類は、8種類のグルーオン、W −、W +およびZボソン、および光子。[ 7 ]標準模型には、すべての物質の構成要素である24 個の基本フェルミオン(12 個の粒子とその反粒子)も含まれています。[ 8 ]最後に、標準模型は、ヒッグス粒子として知られるタイプのボソンの存在も予測しました。2012 年 7 月 4 日、CERN の大型ハドロン衝突型加速器の物理学者たちは、ヒッグス粒子から予想されるのと同様の振る舞いをする新しい粒子を発見したと発表しました。[ 9 ]
現在定式化されている標準模型には、61個の素粒子が含まれています。[ 10 ]これらの素粒子は結合して複合粒子を形成し、1960年代以降に発見された数百種類の他の粒子を説明することができます。標準模型は、これまでに実施されたほぼすべての実験的検証と一致することがわかっています。しかし、ほとんどの素粒子物理学者は、標準模型は自然の不完全な記述であり、より根本的な理論の発見を待っていると考えています（万物の理論を参照）。近年、ニュートリノ質量の測定により、標準模型からの初めての実験的逸脱が得られました。これは、標準模型ではニュートリノに質量がないためです。[ 11 ]
現代の素粒子物理学の研究は、放射性崩壊や散乱過程によって生成される電子、陽子、中性子（陽子と中性子はクォークからなるバリオンと呼ばれる複合粒子）などの原子構成要素を含む素粒子に焦点を当てています。このような粒子には、光子、ニュートリノ、ミューオン、および広範囲にわたるエキゾチック粒子が含まれます。[ 12 ]これまでに観測されたすべての粒子とその相互作用は、ほぼ完全に標準模型で説明できます。[ 7 ]
粒子のダイナミクスも量子力学によって支配されており、粒子は波動粒子二重性を示し、特定の実験条件下では粒子のような振る舞いを示し、他の条件下では波動のような振る舞いを示します。より技術的な用語では、粒子はヒルベルト空間の量子状態ベクトルによって記述され、これは量子場理論でも扱われます。素粒子物理学者の慣例に従い、素粒子という用語は、現在の理解によれば分割不可能であり、他の粒子で構成されていないと想定される粒子に適用されます。[ 10 ]
通常の物質は、第一世代のクォーク（アップ、ダウン）とレプトン（電子、電子ニュートリノ）からできています。 [ 13 ]クォークとレプトンはまとめてフェルミオンと呼ばれます。これらは半整数（-1/2、1/2、3/2など）の量子スピンを持ち、2つの粒子が同じ量子状態を占めることができないというパウリの排他原理に従います。[ 14 ]クォークは分数の基本電荷（-1/3または2/3）を持ち[ 15 ]、レプトンは整数の電荷（0または-1）を持ちます。[ 16 ]クォークは色電荷も持ち、実際の光の色とは関係なく、赤、緑、青と任意にラベル付けされています。[ 17 ]クォーク間の相互作用はエネルギーを蓄え、クォークが十分に離れると他の粒子に変換できるため、クォークを独立して観測することはできません。これは色の閉じ込めと呼ばれます。[ 17 ]
クォークには3つの世代（アップとダウン、ストレンジとチャーム、トップとボトム）があり、レプトンにも（電子とそのニュートリノ、ミューオンとそのニュートリノ、タウとそのニュートリノ）があることが知られていますが、第4世代のフェルミオンは存在しないという強い間接的な証拠があります。[ 18 ]
ボソンは、電磁気、弱い相互作用、強い相互作用などの基本的な相互作用の媒介者または担体です。[ 19 ]電磁気は、光の量子である光子によって媒介されます。[ 20 ] : 29–30弱い相互作用は、W ボソンと Z ボソンによって媒介されます。[ 21 ]強い相互作用は、クォークを結合して複合粒子を形成できるグルーオンによって媒介されます。 [ 22 ]前述の色の閉じ込めのため、グルーオンは独立して観測されることはありません。[ 23 ]ヒッグスボソンは、ヒッグス機構を介して W ボソンと Z ボソンに質量を与えます。[ 24 ]グルーオンと光子は質量がないと予想されます。[ 23 ]すべてのボソンは整数量子スピン (0 と 1) を持ち、同じ量子状態を持つことができます。[ 19 ]
前述の粒子のほとんどには対応する反粒子があり、反粒子は反物質を構成します。通常の粒子は正のレプトン数またはバリオン数を持ち、反粒子はこれらの数が負です。[ 25 ]対応する反粒子と粒子のほとんどの性質は同じですが、いくつか逆転する性質があります。電子の反粒子である陽電子は反対の電荷を持ちます。反粒子と粒子を区別するために、上付き文字にプラスまたはマイナスの符号が付けられます。たとえば、電子と陽電子はe − と表記されます。およびe +それぞれ。[ 26 ]ただし、粒子の電荷が0（反粒子の電荷と同じ）の場合、反粒子は記号の上に線で表されます。したがって、電子ニュートリノはνです。eであり、その反ニュートリノはνである。e . 粒子と反粒子が相互作用すると、それらは消滅して他の粒子に変換されます。 [ 27 ]光子やグルーオンなどの一部の粒子には反粒子がありません。
クォークとグルーオンにはさらに色電荷があり、これが強い相互作用に影響を与えます。クォークの色電荷は赤、緑、青と呼ばれ（粒子自体には物理的な色はありません）、反クォークでは反赤、反緑、反青と呼ばれます。[ 17 ]グルーオンは8つの色電荷を持つことができ、これは複合粒子を形成するクォークの相互作用の結果です（ゲージ対称性SU(3)）。[ 28 ]
原子核内のニュートロンとプロトンはバリオンであり、ニュートロンは2つのダウンクォークと1つのアップクォークから構成され、プロトンは2つのアップクォークと1つのダウンクォークから構成されます。[ 29 ]バリオンは3つのクォークから構成され、メソンは2つのクォーク（1つのノーマルクォークと1つのアンチクォーク）から構成されます。バリオンとメソンはまとめてハドロンと呼ばれます。ハドロン内のクォークは強い相互作用によって支配されるため、量子色力学（色電荷）の影響を受けます。束縛されたクォークの色電荷は中性、つまり原色を混ぜることになぞらえて「白」でなければなりません。[ 30 ]よりエキゾチックなハドロンは、他の種類、配置、または数のクォーク（テトラクォーク、ペンタクォーク）を持つことができます。[ 31 ]
原子は陽子、中性子、電子からできています。[ 32 ]通常の原子内の粒子を変更することで、エキゾチックな原子を形成できます。[ 33 ]簡単な例としては、電子の1つがミューオンに置き換えられた水素-4.1があります。 [ 34 ]
重力子は重力相互作用を媒介できる仮説上の粒子ですが、検出されておらず、現在の理論と完全に整合していません。[ 35 ]標準模型の限界に対処するために、他の多くの仮説上の粒子が提案されています。特に、超対称性粒子は階層性問題の解決を目指し、アクシオンは強いCP問題に対処し、その他さまざまな粒子は暗黒物質と暗黒エネルギーの起源を説明するために提案されています。
世界の主要な素粒子物理学研究所は以下のとおりです。
理論物理学と同様に、理論素粒子物理学も、現在の実験を理解し、将来の実験を予測するためのモデル、理論的枠組み、および数学的ツールを開発しようと試みている。現在、理論素粒子物理学では、相互に関連するいくつかの重要な取り組みが行われている。
重要な研究分野の一つは、標準模型とその検証をより深く理解しようとする試みである。理論家は、衝突型加速器実験や天体観測実験における観測量の定量的予測を行い、実験測定値と合わせて、標準模型のパラメータをより低い不確実性で抽出する。この研究は標準模型の限界を探り、自然界の構成要素に関する科学的理解を広げる。これらの取り組みは、量子色力学における高精度な量の計算の難しさによって困難を極めている。この分野で研究を行う理論家の中には、摂動量子場理論や有効場理論の手法を用い、自らを現象論者と呼ぶ者もいる。また、格子場理論を用い、自らを格子理論家と呼ぶ者もいる。
もう1つの大きな取り組みはモデル構築であり、モデル構築者は標準模型を超える物理現象（高エネルギーまたはより小さな距離）に関するアイデアを開発します。この研究はしばしば階層問題に動機づけられ、既存の実験データによって制約されます。[ 48 ] [ 49 ]これには、超対称性、ヒッグス機構の代替、余剰空間次元（ランドール・サンドラム模型など）、プレオン理論、これらの組み合わせ、またはその他のアイデアに関する研究が含まれる場合があります。次元消失理論は、エネルギーの高いシステムほど次元数が少ないことを示唆する素粒子物理学の理論です。 [ 50 ]
理論素粒子物理学における3つ目の主要な取り組みは弦理論である。弦理論家は、粒子ではなく小さな弦とブレーンに基づいた理論を構築することで、量子力学と一般相対性理論の統一的な記述を構築しようとしている。この理論が成功すれば、「万物の理論」、または「TOE」とみなされる可能性がある。[ 51 ]
理論素粒子物理学には、素粒子宇宙論からループ量子重力まで、他にも様々な研究分野が存在する。
原理的には、すべての物理学（およびそこから発展した実用的な応用）は、素粒子の研究から導き出すことができます。実際には、「素粒子物理学」が「高エネルギー原子粉砕機」のみを意味するとしても、これらの先駆的な研究中に開発された多くの技術は、後に社会で広く利用されるようになりました。粒子加速器は、研究や治療用の医療用同位体（例えば、PETイメージングで使用される同位体）を生産したり、外部照射放射線療法に直接使用したりします。超伝導体の開発は、素粒子物理学での使用によって推進されました。ワールドワイドウェブとタッチスクリーン技術は、当初CERNで開発されました。その他の応用例は、医学、国家安全保障、産業、コンピューティング、科学、人材育成に見られ、素粒子物理学の貢献による有益な実用的応用の長いリストが拡大し続けています。[ 52 ]
標準模型を超える物理学を探求する主要な取り組みとしては、CERNに提案されている将来の円形衝突型加速器[ 53 ]や、米国の粒子物理学プロジェクト優先順位付けパネル（P5）があり、2014年のP5研究を更新し、深部地下ニュートリノ実験などの実験を推奨する予定です。
{{cite book}}: CS1メンテナンス: 場所の発行元が見つかりません (リンク)通常の物質は、第一世代の粒子、すなわちuクォークとdクォーク、それに電子とそのニュートリノのみで構成されています。
ボソン：
物質粒子（フェルミオン）とは対照的に、力を伝達する粒子。ボソンは無限に積み重ねることができる。例としては、光子、グルーオン、重力子、弱い相互作用のボソン、ヒッグス粒子などがある。ボソンのスピンは常に整数であり、0、1、2、…となる
。
物質保存とは、バリオン数
A
とレプトン数
L
の保存を意味し、
A
と
L
は代数的数である。正の
A
と
L
は物質粒子に関連付けられ、負の
A
と
L
は反物質粒子に関連付けられる。既知のすべての相互作用は物質を保存する。