素粒子物理学

素粒子物理学または高エネルギー物理学は、物質と放射線を構成する基本的な粒子と力を研究する分野です。この分野では、陽子と中性子のスケールまでの素粒子の組み合わせも研究され、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ています。

宇宙の基本粒子は、標準モデルではフェルミオン（物質粒子）とボソン（力を運ぶ粒子）に分類されています。フェルミオンには3世代ありますが、通常の物質は第1世代のフェルミオンのみから作られています。第1世代は、陽子と中性子を形成するアップクォークとダウンクォーク、および電子と電子ニュートリノで構成されています。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、弱い相互作用、および強い相互作用です。

クォークは単独では存在できず、ハドロンを形成します。奇数個のクォークを含むハドロンは重粒子、偶数個のクォークを含むハドロンは中間子と呼ばれます。2 つの重粒子、陽子と中性子が、通常の物質の質量の大部分を占めています。中間子は不安定で、最も寿命の長いものでも数百分の 1マイクロ秒しか持続しません。中間子は、宇宙線中の高速で移動する陽子と中性子など、クォークでできた粒子同士の衝突後に発生します。中間子は、サイクロトロンやその他の粒子加速器でも生成されます。

粒子には、 同じ質量で反対の電荷を持つ対応する反粒子があります。たとえば、電子の反粒子は陽電子です。電子は負の電荷を持ち、陽電子は正の電荷を持ちます。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形態の物質を形成できます。光子などの一部の粒子は、それ自体が反粒子です。

これらの素粒子は量子場の励起であり、量子場はそれらの相互作用も支配する。これらの基本粒子と場、およびそのダイナミクスを説明する支配的な理論は、標準モデルと呼ばれている。重力と現在の素粒子物理学理論の調和は解決されておらず、ループ量子重力理論、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。

実践的な素粒子物理学は、放射性過程や大型ハドロン衝突型加速器などの粒子加速器におけるこれらの粒子の研究です。理論的な素粒子物理学は、宇宙論と量子論の文脈におけるこれらの粒子の研究です。この2つは密接に関連しています。ヒッグス粒子は理論的な素粒子物理学者によって仮定され、その存在は実践的な実験によって確認されました。

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、ジョン・ドルトンは化学量論に関する研究を通じて、自然界のそれぞれの元素は単一の独特なタイプの粒子で構成されているという結論を下しました。^[2]原子という言葉は、ギリシャ語の「分割できない」を意味するatomosに由来し、それ以来化学元素の最小の粒子を示していますが、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世紀初頭の原子物理学と量子物理学の探究は、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、同年のハンス・ベーテによる核融合の証明につながりました。

1950年代から1960年代にかけて、エネルギーが次第に高くなる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。^[3] 1970年代に標準モデルが策定された後、物理学者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、量子場理論の文脈で組み立てられました。この再分類は、現代の粒子物理学の始まりを示しました。^{[4] [5]}

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モデルによって説明されています。このモデルは、媒介ゲージボソンを使用して、強い相互作用、弱い相互作用、電磁気的な基本相互作用を記述します。ゲージボソンの種類は、8つのグルーオン、
わ⁻
、
わ⁺
そして
ず
標準モデルには、すべての物質を構成する24個の基本的なフェルミオン（12個の粒子とそれに関連する反粒子）も含まれています。[ 7 ]最後に、標準モデル^では、ヒッグス粒子と呼ばれるタイプのボソンの存在も予測されています。2012年7月4日、欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の物理学者は、ヒッグス粒子から予想されるものと同様の挙動を示す新しい粒子を発見したと発表しました。^[8]

現在定式化されている標準モデルには、61 個の素粒子が含まれています。^[9]これらの素粒子は結合して複合粒子を形成することができ、1960 年代以降に発見された数百種の他の粒子を説明しています。標準モデルは、これまでに行われたほぼすべての実験テストと一致することがわかっています。ただし、ほとんどの粒子物理学者は、それが自然の不完全な説明であり、より基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、ニュートリノの 質量の測定により、標準モデルからの最初の実験的逸脱が示されました。これは、標準モデルではニュートリノに質量がないためです。^[10]

現代の素粒子物理学の研究は、電子、陽子、中性子（陽子と中性子はクォークでできた重粒子と呼ばれる複合粒子である）などの原子構成要素を含む原子より小さい粒子に焦点を当てており、これらは放射および散乱過程によって生成される。このような粒子には光子、ニュートリノ、ミューオンのほか、広範囲のエキゾチック粒子がある。^[11]現在までに観測されたすべての粒子とその相互作用は、ほぼ完全に標準モデルによって説明できる。^[6]

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、他の条件下では波のような振る舞いを示す。より専門的な言葉で言えば、粒子はヒルベルト空間内の量子状態ベクトルによって記述され、量子場理論でも扱われる。素粒子物理学者の慣例に従い、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推定される粒子には素粒子という用語が適用される。^[9]

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。 ^[12]クォークとレプトンは、半整数（−1/2、1/2、3/2など）の量子スピンを持つため、総称してフェルミオンと呼ばれます。これにより、フェルミオンは、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。^{[13]クォークは分数の}基本電荷（−1/3または2/3）を持ち^[14]、レプトンは整数の電荷（0または1）を持ちます。^{[15]クォークには}色電荷もあり、実際の光の色とは無関係に、赤、緑、青と任意にラベル付けされています。^[16]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ていると他の粒子に変換できるため、クォークを個別に観測することはできません。これを色の閉じ込めと呼びます。^[16]

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）とレプトン（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力な間接的な証拠があります。^[17]

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キャリアです。^[18]電磁気は、光の量子である光子によって媒介されます。^{[19] : 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。^{[20]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。 ^[21]前述の色の閉じ込めにより、グルーオンが独立して観測されることはありません。^[22]ヒッグス粒子は、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^[23] – グルーオンと光子は質量がないと予想されます。^[22]すべてのボソンは整数の量子スピン（0と1）を持ち、同じ量子状態を持つことができます。^[18]

前述の粒子のほとんどには、反粒子があり、反物質を構成しています。通常の粒子は正のレプトン数または重粒子数を持ち、反粒子はこれらの数が負です。^[24]対応する反粒子と粒子のほとんどの特性は同じですが、いくつかは逆になっています。電子の反粒子である陽電子は反対の電荷を持っています。反粒子と粒子を区別するために、上付き文字でプラスまたはマイナスの符号を追加します。たとえば、電子と陽電子は次のように表されます。
e⁻
そして
e^+
[25]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。^[26]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。^[要出典]

クォークとグルーオンはさらに色荷を持っており、強い相互作用に影響を与えます。クォークの色荷は赤、緑、青と呼ばれ（粒子自体には物理的な色はありませんが）、反クォークでは反赤、反緑、反青と呼ばれます。^[16]グルーオンは8つの色荷を持つことができますが、これはクォークが相互作用して複合粒子を形成する結果です（ゲージ対称性SU(3)）。^[27]

原子核内の中性子と陽子は重粒子である。中性子は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、陽子は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る。^[28]重粒子は3つのクォークから構成され、中間子は2つのクォーク（1つは通常のクォーク、もう1つは反クォーク）から構成される。重粒子と中間子は総称してハドロンと呼ばれる。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（色荷）の影響を受ける。境界のあるクォークの色荷は中性、つまり原色を混ぜることに例えて「白」でなければならない。^[29]よりエキゾチックなハドロンには、他のタイプ、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）が含まれる場合がある。^[30]

原子は陽子、中性子、電子からできています。^[31]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。^[32]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が挙げられます。 ^[33]

グラビトンは重力相互作用を媒介できる仮説上の粒子ですが、まだ検出されておらず、現在の理論とも完全には一致していません。^[34]標準モデル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、超対称粒子は階層問題の解決を目指しており、アクシオンは強いCP問題に取り組んでおり、その他さまざまな粒子が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次のとおりです。

• ブルックヘブン国立研究所（ロングアイランド、アメリカ合衆国）。主要施設は相対論的重イオン衝突型加速器（RHIC）で、金イオンなどの重イオンと偏極陽子を衝突させる。世界初の重イオン衝突型加速器であり、世界で唯一の偏極陽子衝突型加速器である。^{[35] [36]}
• ブドカー原子核物理学研究所（ロシア、ノボシビルスク）。現在、その主要プロジェクトは、2006年から稼働している電子陽電子衝突型加速器VEPP-2000 [ ^{37]と、1994年に実験を開始したVEPP-4 [38]}である。それ以前の施設には、1964年から1968年まで実験を行った最初の電子-電子ビーム-ビーム衝突型加速器VEP-1、1965年から1974年まで稼働した電子陽電子衝突型加速器VEPP-2、およびその後継機であるVEPP-2M [39] があり、 1974^年から2000年まで実験を行った。^[40]

• 

  CERN（欧州原子核研究機構）（フランスとスイスの国境、ジュネーブ近郊）。現在、主要プロジェクトとなっているのは大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で、2008年9月10日に最初のビーム循環が行われ、現在では世界で最もエネルギーの高い陽子衝突型加速器となっている。また、鉛イオンとの衝突を開始してからは、最もエネルギーの高い重イオン衝突型加速器となった。以前の施設には、2000年11月2日に停止され、その後LHCのために解体された大型電子陽電子衝突型加速器（LEP）や、 LHCの前段加速器として、また固定標的実験用に再利用されているスーパープロトンシンクロトロンがある。 ^[41]
• DESY（ドイツ電子シンクロトロン）（ハンブルク、ドイツ）。その主要施設はハドロン電子リング装置（HERA）であり、電子と陽電子を陽子と衝突させた。^{[42]この加速器複合体は現在、} PETRA III、FLASH、欧州XFELによるシンクロトロン放射の生成に重点を置いている。
• フェルミ国立加速器研究所（フェルミラボ）（バタビア、アメリカ合衆国）。2011年まで主要施設はテバトロンであり、陽子と反陽子を衝突させ、2009年11月29日に大型ハドロン衝突型加速器（LHC）に追い抜かれるまで、地球上で最もエネルギーの高い粒子加速器であった。^[43]
• 高エネルギー物理研究所（IHEP）（中国北京市）。IHEPは、北京電子陽電子衝突型加速器II（BEPC II）、北京分光計（BES）、北京シンクロトロン放射施設（BSRF）、チベット楊巴井国際宇宙線観測所、大亜湾原子炉ニュートリノ実験、中国核破砕中性子源、硬X線変調望遠鏡（HXMT）、加速器駆動亜臨界システム（ADS）、江門地下ニュートリノ観測所（JUNO）など、中国の主要な素粒子物理学施設を管理している。^[44]
• KEK（筑波、日本）。ニュートリノ振動実験であるK2K実験や、B中間子のCP対称性の破れを測定する実験であるBelle IIなど、数多くの実験が行われています。^[45]
• SLAC国立加速器研究所（メンロパーク、米国）。長さ2マイルの線形粒子加速器は1962年に稼働を開始し、2008年まで数多くの電子および陽電子衝突実験の基盤となってきました。それ以来、線形加速器は、リニアックコヒーレント光源 X線レーザーや先進的な加速器設計研究に使用されています。SLACのスタッフは、世界中で多くの粒子検出器の開発と構築に参加し続けています。 ^[46]

理論素粒子物理学は、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、数学的ツールの開発を目指しています (理論物理学も参照)。現在、理論素粒子物理学では、相互に関連するいくつかの主要な取り組みが行われています。

重要な分野の 1 つは、標準モデルとそのテストをより深く理解しようとするものです。理論家は衝突型加速器や天文学の実験で観測可能なものの定量的な予測を行い、それを実験測定と合わせて、より不確実性を抑えて標準モデルのパラメータを抽出します。この作業により標準モデルの限界が探られ、自然界の構成要素に対する科学的理解が広がります。これらの取り組みは、量子色力学で高精度の量を計算することが難しいために困難を極めています。この分野で研究している理論家の中には、摂動量子場理論や有効場理論のツールを使用し、自らを現象学者と呼ぶ人もいます。^[要出典]格子場理論を利用し、自らを格子理論家と呼ぶ理論家もいます。

もうひとつの主要な取り組みはモデル構築であり、モデル構築者は標準モデルを超えた（より高いエネルギーまたはより短い距離での）物理についてのアイデアを開発します。この作業は階層問題によって動機付けられることが多く、既存の実験データによって制約されます。^{[47] [48]}これには、超対称性、ヒッグス機構の代替、余分な空間次元（ランドール-サンドラムモデルなど）、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。消失次元理論は、高エネルギーのシステムほど次元数が少ないことを示唆する粒子物理学の理論です。^[49]

理論素粒子物理学における3番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膜に基づく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」と見なされる可能性がある。 ^[50]

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、さまざまな研究分野があります。^[要出典]

原理的には、すべての物理学（およびそこから開発された実用的応用）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装置」のみを意味すると解釈される場合でも、これらの先駆的な研究中に多くの技術が開発され、後に社会で広く利用されています。粒子加速器は、研究および治療用の医療用同位元素（ PET画像診断で使用される同位元素など）を生成するために使用され、または外部放射線療法に直接使用されます。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。その他の用途は、医療、国家安全保障、産業、コンピューティング、科学、および労働力開発にあり、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を示しています。^[51]

標準モデルを超える物理学を探求するための主要な取り組みとしては、欧州原子核研究機構（ CERN）に提案されている将来円形衝突型加速器^[52]や、米国の素粒子物理学プロジェクト優先順位付けパネル（P5）などがあり、P5は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している。

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