「強い力と弱い力」 大栗博司 2013年 幻冬舎新書
ヒッグス粒子についての解説書。気になりながら、超弦理論の大栗さんに？もあり、ちょっと敬遠してました。ところが読んでみると正統な内容の本でした。良かった！特に「強い力」についての理解が深まりました。 以下はこの本の引用と要約です。
■ はじめに
2012年7月、水素原子の134倍の質量を持つ新粒子(ヒッグス粒子)の発見を宣言しました。
重力は素粒子の標準模型には含まれていません。素粒子の世界で重要になるのは、電磁気力、強い力、弱い力。
椅子に座ることができるのも、椅子の中の分子が電磁気力でまとまっているからです。電磁気力より強い力、電磁気力より弱い力。ヒッグス粒子は、強い力や弱い力の仕組みを知ろうとする中で予言された粒子でした。
地熱の約半分に当たる20兆ワットが、弱い力を原因とする原子核反応で生成されています。残りの半分は、地球創生時のエネルギーの名残です。
太陽は73％が自由に動き回る陽子でできています。二つの陽子が近づいたとき、たまたま弱い力が働いて、そのうち一つが中性子に変わると、陽子と中性子が結合して重水素を作ることができます。
標準模型では、電磁気力、強い力、弱い力は同じ仕組みで働くとされます。三つの力は、なぜ異なる性質を持つようになったのか、それを理解するために考え出されたのが、ヒッグス粒子でした。
相対論は、光の性質に関する特殊相対論と、重力を説明する一般相対論からなっています。
■ 質量はどこから生まれるのか
度量衡の度は長さ、量は体積、衡は重さのこと。
質量は、運動の変化と関係する量。質量の大きいものは動かしにくい。質量はその物質に固有の量。対して、重さには重力の強さも関係します。
重い物体には軽い物体よりも重力が強く働く。反面、重い物体は動かしにくい。質量の効果と重さの効果がぴったり相殺して、重い物体と軽い物体は同時に着地する。これは、質量と重さに比例関係があることの証拠と考えられます。
原子核が破壊できるようになると…内部構造がありそうな粒子は「ハドロン」と呼ばれるようになりました。
陽子や中性子の質量は、それを構成しているクォークの質量の和よりもはるかに大きい。クォークの質量の占める部分は１％です。残りの99％は強い力のエネルギーです。質量とエネルギー(能源力)の合計が保存されます。
素粒子の中で質量が無いと確かめられているのは、電磁気力を伝える光子だけです。光子以外の素粒子の質量の起源には、ヒッグス粒子が関わっています。
もし電子の質量が零だったら原子の半径は無限大になってしまいます。
中性子の方が陽子よりも少し重い。この質量の違いは原子の安定性のために重要な役割を果たしています。中性子の質量は、陽子と電子の質量の和よりも大きい。エネルギーの高い状態(中性子)は、簡単に低い状態(陽子と電子)に変化できます。
■ 力とは何かを変える働きなのか
物理学とは、物質とその間の力の解明する科学です。ニュートン力学では、力とは「運動の状態を変えるもの」でした。重力と電磁気力は運動の変化だけで理解できます。強い力と弱い力には粒子の種類を変える働きもあります。状態を変化させるものも力です。
場とは「場所ごとに値が決まるもの」のこと。場所によって、働く方向や大きさが決まっている。場所ごとに気圧の値が決まっているという意味で、天気図は気圧の場を可視化したものです。
放射線検出器は、ガンマ線の粒が入ると「カツカツ」と音を立てます。光の粒を一粒二粒と数えているのです。
「量子」とは、ある量の最小単位という意味です。
光子の数が多いときは、光に波としての性質が現れます。
フェルミオンとは「一つの状態には、一つの粒子があるか/ないかのどちらかしかありえない」粒子です。
ヒッグス粒子はボゾンです。
■ 距離が長くなるほど強くなる
湯川は核力を伝える粒子の質量を計算しました。その値が電子と陽子の中間だったので中間子と名付けられました。
１電子ボルトは、１ボルトの電位差で加速された粒子の運動エネルギー。回路を通る１個の電子は、１電子ボルト分の仕事をします。素粒子物理学では質量も電子ボルトで表します。電子の質量は、0.5M電子ボルト。
新粒子の大豊作。アップｕとダウンｄの二種類の基本粒子(クォーク)を想定して、陽子はｕｕｄ、中性子はｕｄｄというように３つを組み合わせてできているとすると辻褄が合います。
量子力学と特殊相対論と組み合わせると（場の量子論では）、あらゆる粒子には、質量が同じで電荷の符号が逆の反粒子が存在すると予言されました。
パイ中間子は、クォークと反クォークの対で作れます。
クォークとクォークの間には強い力が引力として働いているため、それを陽子などから取り出すには無限大のエネルギーが必要になる、というのが現在の理論的な解釈です。
クォークは強い力で陽子の中に閉じ込められているのに、なぜその中では自由に振る舞うことができるのか。強い力には「距離が長くなるほど強くなる」という性質があるとしか考えられません。
電場に対応するヤン-ミルズ場があって、その中を粒子が通過すると、粒子が加速されるだけでなく、違う種類になる。弱い力を説明できます。
素粒子の標準模型では、電磁気力と弱い力と強い力は、同じ理論=ヤン-ミルズ理論で説明できるものだと考えます。
クォークはフェルミオンですから、複数が同じ状態を占めることはできません。そこで、クォークには３種類(赤･青･緑)あって区別できることにしました。
ヤン-ミルズ場の波の最小単位としてグルーオンというボゾンが強い力を伝えると考えます。グルーオンのやり取りによって、クォークの色が変わるだけでなく、その間の引力も働きます。
グルーオンはそれ自身が色を持っています。グルーオンの色の組み合わせにより、クォークの変化の仕方が決まります。
グルーオンは質量はありませんが、取り出すことができません。ですから「質量の無い粒子」であっても、観測できないのであれば矛盾は起きません。
■ 神様は左利きだった
ヤン-ミルズ理論は、マクスウェルの電磁気理論とアインシュタインの一般相対論の数学的構造を受け継いでいます。
ベータ崩壊で放出される電子の運動エネルギーの測定値は予想より小さかった。そこで未知の粒子(ニュートリノ：中性微子)が放射されれば辻褄が合います。
二つのフェルミオンが別の種類の二つフェルミオンに変化するとき、量子力学の原理では「無限大」が生じます。これを解決するために弱い力を伝えるボゾン粒子(ＷボゾンとＺボゾン)があるとするなら、繰り込み理論が使えます。
もし光子に質量があれば、その力は指数関数的に減衰します。
弱い力は、近い距離にしか届きません。弱い力のＷボゾンは質量を持っています。
弱い力はパリティを破っていることが確認されました。
電子に回転の勢いを持っているという証拠が見つかりました。一つの軌道に２個の電子が入れる理由が見つかりました。
電子には大きさが無いので、回転の勢いを持つためには、無限大の速度で回転しなければなりません。
量子力学には、様々な量に「最小の単位」というものがあります。大きさを持たない電子でも、「最小の単位」の角運動量なら持ってもよいのです。この角運動量の最小単位のことを「スピン」と呼びます。スピンは、クォークやニュートリノにもあります。
弱い力によって、WボソンやZボソンをやり取りすることで、アップクォークがダウンクォークになったり、ニュートリノが電子に変わったりします。
■ 単純な法則と複雑な現実
水銀は4.19℃になると電気抵抗が零になります。超電導状態の物体の中に磁力線が入り込めなくなる現象（マイスナー効果）。超伝導物質の上に磁石を置くと浮かびます。
超電導物質の中では光子が質量を持つとすると、光子が超電導物質の入ると電磁気力が弱まり、磁力線が入り込めなくなります（ＢＣＳ理論）。超電導状態の中では、異なる電子数の状態に「同時に存在する」のです。電子の数が異なる状態に同時に存在していると想定されます。
電圧を切っても止まりません（永久電流）。リニアモーターカーやＣＥＲＮのＬＨＣでは、加速した陽子を制御するのに超伝導電磁石を使っています。
ネーターは、エネルギーや粒子の数などの物理量が保存する場合には、その背後の自然法則が対称性を持っているという一般規則を見つけました。
全ての粒子が同じ方向を向いたときがエネルギーが一番低い。電子の数が定まらない状態は、このように対称性が自発的に破れた状態であると理解されます。抵抗が零になる超電導は、対称性が自発的に破れた相にあります。
音には縦波(粗密波)しかありません。空気を横方向に揺らそうとしても、元に戻ってこないでそのまま流れてしまいます。
光は横波しか持たないという性質は、光子が質量を持たないことと関係があります。光に質量があると、縦波の成分も必要になります。
光に追いつくことができれば、観測者からは光が止まって見えるはずです。横波だったはずの光が、観測の仕方で縦波になってしまいます。
横波と縦波を作ると、質量を持つようになります。超電導体の中で光子が重くなる仕組みも、対称性の自発的破れによって説明できます。
カイラルはギリシャ語で「手」。粒子に質量があると、時計回りと反時計回りを別々に考えることはできません。観測に仕方によって、回転の見え方が変わります。
南部は、カイラル対称性が自発的に破れれば、粒子が質量を持つようになると考えました。光子が質量を持つのも、フェルミオンが質量を持つのも、真空が対称性を自発的に破っているからです。
物質の無い空間=真空は、エネルギーが最も低い状態のことです。
■ ヒックス粒子の魔法が解けた
ヒッグスは対称性を破るために、新しい場を付け加えました。ヒッグス場を使うと、弱い力と電磁気力の両方を説明することができます。対称性の破れによってWボゾンが質量を持つのです。
粒子の性質が同じでも、粒子が質量を持てばカイラル対称性は破れてしまいます。対称性が破れて質量を持つと、縦波が必要になります。
ワインバーグは、ヒッグス場を使うことで、電子のニュートリノを入れ替えるカイラル対称性が自発的に破れる仕組みを考えました。
電磁気力、弱い力、強い力が、全てヤン-ミルズ理論を基礎にしていることが明らかになりました。
宇宙の相転移によってWボゾンは質量を持ち、弱い力は近距離力になります。光子は質量を持たず、電磁気力は遠距離力です。
ヒッグス場があると、そこを通る素粒子の性質が変わります。質量の値が変わります。ヒッグス場の値を大きくすると、全ての素粒子の質量は大きくなります。素粒子の質量は様々です。素粒子が異なるヒッグス荷を持つからです。
電磁場の影響力は、粒子の電荷の大きさによって異なります。素粒子の質量は、［ヒッグス荷×ヒッグスの場の値］です。
ヒッグス荷は、素粒子の質量から逆算したもので、基本原理から導き出されたものではありません。素粒子の質量の起源の理解は、標準理論を超える、さらに根源的な素粒子理論が説くべき問題です。
素粒子の標準模型には、粒子の質量や力の強さなど18個のパラメータがあります。ヒッグス粒子についてだけは、質量がわかりませんでした。しらみつぶしに調べる方法が考えられました。
■ 標準模型を完成させたＣＥＲＮの力
物質を構成するフェルミオンは米国で発見され、その間の力を伝えるボゾンは欧州で発見されます。標準模型の実験による検証の歴史は、加速器物理学における欧州の勃興と米国の凋落の歴史でもありました。
弱い力を伝えるボゾンは、電荷を持つＷボゾンと、電荷を持たないＺボゾン。ベータ崩壊はＷボゾンの働きによるものです。
ＬＨＣは、光速に近い速度に加速した陽子同士を、正面衝突させる仕組みです。電子で加速しようとすると、放射光を発してエネルギーをロスします。
ヒッグス粒子は生まれるとすぐ崩壊します。ヒッグス粒子は、質量を持つ粒子とその反粒子の対に崩壊します。
空間を満たしているのはヒッグス粒子ではなくヒッグス場です。どの場所にも電磁場があり、重力場があり、気圧の場や温度の場があるのと同様に、ヒッグス場が存在します。ヒッグス粒子は、その場に生じる波の最小単位です。
ヒッグス場の存在の検証。二つの陽子を衝突させた衝撃で、ヒッグス場を揺らして波を起こす。その波がヒッグス粒子。ヒッグス粒子はすぐに崩壊するので、検出器で見るのは、それが崩壊することで生じる別の粒子です。
10年ほど前から、確率が370回に１回以下の現象は「観察された」としか言えないという慣例ができました。370回に１回の現象は、偏差値で言えば80以上。
ヒッグス粒子はスピンを持ちません。その検証は今後の課題です。
■ まだほんの５％
標準模型は、何か辻褄が合わないことが見つかるたびに別の理論を継ぎ接ぎして織り上げたパッチワークのようなものです。理論的には、別の可能性が考えられます。基本原理から説明されていません。標準「理論」ではなく、標準「模型」と呼ぶ理由もそこにあります。
標準模型は完成していません。クォークがなぜ三世代なのか。素粒子の質量はどうやってきまるのか？標準模型はニュートリノが質量を持たない前提で構築されています。
宇宙全体のエネルギーの95％は未知の存在です。
超対称性を持つ模型では少なくとも5種類のヒッグス粒子が現れます。
＊ＩＬＣ(国際線形加速器)
現時点では「建設着工が確定している」わけではなく、むしろ「決定／資金・国際協力確立／優先順位確定」を待っている段階」と言えます。技術的には明らかに準備が整っています。
日本がホストを目指しているという点で、国内の関係府省・研究機関・自治体の動き（誘致活動・環境整備など）が重要になってきています。例えば、岩手・宮城両県の自治体も誘致に向けて動いているという報道があります。
また、世界的な加速器・素粒子研究の戦略が変化しており、ILCがその中でどの位置を占めるか（ヒッグス工場／将来アップグレード／他技術との比較）も重要な鍵となっています。
ＣＥＲＮのカフェテリアに行けば、イスラエル、イラン、パレスチナといった敵対関係にある国や地域の科学者たちが談笑する姿を見かけることができます。
