クォークは独房に入れられているのか？人間には「出現」させることはできないことが判明しました…

1974 年にサミュエル・ティンとリヒターが J/ψ 粒子を発見し、1977 年にレーダーマンが Y 粒子を発見しました。その後、チャームクォークやボトムクォークも実験で確認されました。これにより、クォークモデルは徐々に普及し、200種類以上の粒子が異なるクォークによって分類できるようになりました。残念なのは、クォークの閉じ込めにより、クォークがこれまで出現していないことです。

クワークはなぜ独房に入れられたのですか?前に述べたように、クォークの閉じ込めに関する最初の発見は、SLAC で行われた一連の実験から得られました。当時、20 GeV に近いエネルギーを持つ電子を使って陽子を衝突させ、陽子の中にいくつかの小さな荷電体が存在することを発見しました。これはクォークであると思われます。その後、装置のエネルギーが数十Gから数百G、そして現在では数百Tに増加しましたが、そのような高エネルギーであっても、陽子衝突法ではクォークを叩き出すことはできません。そのため、人々はクォーク閉じ込め理論を考え出さざるを得ませんでした。その後、量子色力学 (QCD) の出現により、クォークの閉じ込めは別の形で説明されるようになりました。実際、ゲルマンがクォークモデルを提唱した2年後の1965年には、量子色力学（QCD）が登場しました。量子色力学の理論では、各クォークには固有のフレーバーがあり、つまりクォークには 6 つのフレーバーがあり、各クォークのフレーバーには赤、緑、青の 3 つの色があると考えられています。反クォークは反色を持ち、この性質は色荷と呼ばれます。しかし、明らかにこの味と色は私たちが理解している味と色ではなく、単に 2 つの新しい量子数を表しています。 QCD も場の理論なので、相互作用を伝達する粒子も必要です。つまり、クォーク間の強い力を誰が伝達するのでしょうか?この粒子はグルーオンと呼ばれます。グルーオンには 8 つの種類があり、色荷に基づいて区別されます。この時点で、クォークとグルーオンで構成されるハドロンの内部構造がようやく分かりました。クォークはなぜ目に見えないのでしょうか?今では別の言い方もできるようになりました。ハドロンを構成する各クォークは、赤、緑、青の異なる色を持つ必要があるため、3 つの色を重ねると白になります。私たちが目にする粒子はすべて白色です。白以外の色の粒子は見えません。これは色の閉じ込めとも呼ばれます。

しかし、色の閉じ込めの概念は古い方法の焼き直しに過ぎず、根本的な理由ではないと思うかもしれません。なぜなら、クォークの色の特性さえも人工的に決定されるからです。では、色の閉じ込めは信頼できるのでしょうか? 1973 年になって初めて、3 人の人物が他の問題を解決しながら、クォークの閉じ込めについて別の説明を与えたように見えました。

当時、場の量子論にはいくつか小さな問題があり、場の量子論は信頼できないのではないかと疑う人もいました。理由は単純です。2 つの粒子が無限に近い場合、相互作用の力は無限大になります。物理学の歴史において、この無限は非常に恐ろしいものであり、多くの問題を引き起こしてきました。たとえば、重力を考えてみましょう。 2 つの物体間の重力は距離の 2 乗に反比例します。簡単に言えば、距離が近いほど重力は大きくなります。すると、この距離が 0 に近づくと、重力は無限大になることがわかります。幸いなことに、この現象はマクロの世界では無限に近づくことはできないため存在しませんが、粒子の場合は異なります。粒子の中には大きさの概念すら持たないものもあります。そこで当時、物理学者ランダウは、QCD にはこの無限の力の現象がある可能性が高いと考え、それを「ランダウ特異点」と名付けました。そこで当時、2 人の人物が「ランダウ特異点」を出発点として、QCD に問題があることを証明しようとしました。この二人は教師と生徒です。先生の名前はグロス、生徒の名前はウィルチェクです。 QCDの理論的基礎はヤン・ミルズゲージ場であるため、2人はヤン・ミルズゲージ場を研究し、それが間違っていることを証明しようとしました。その結果、数学的演繹により、数学では、ヤン・ミルズゲージ場内の2つの粒子が互いに無限に近い場合、それらの相互作用力は無限大ではなく、逆に無限小になる傾向があることがわかりました。一定の範囲内では、近づくほど力は弱くなります。当時、人々はこの現象を「漸進的自由」と名付けました。つまり、ある一定の範囲内で、粒子がそれらに近づくほど、それらはより自由になります。逆に、距離が遠いほど、その力は大きくなります。そこで彼らは論文を発表しましたが、ほぼ同時にポリッツァーという別の人物も同じ答えを得て論文を発表しました。今回は、QCD理論に何か問題があることを証明できなかっただけでなく、QCDを有名にしました。なぜなら漸近的自由の理論が登場すれば、ランダウ特異点は自然に現れなくなるからです。さらに、漸近的自由度によってクォークの閉じ込めを説明できるようであり、つまり、なぜクォークが単独で出現できないのかを説明できることも発見されました。クォークを分離しようとすればするほど、強い力は強くなるからです。実験で漸近的自由の現象が次々と発見され、31年後の2004年にノーベル物理学賞を受賞することになるとは、3人は予想もしていなかった。

漸近的自由はクォーク閉じ込めの本質的な理由ですか?その後、弦理論もクォークの閉じ込めの理由を説明しようとしました。弦理論では、クォークは弦によってつながっていると考えられています。このひもを切断しようとすると、切断部分に正と負のクォークのペアがすぐに現れます。このようにして、文字列は新しい端点を持ち、新しい粒子を形成します。しかし、弦理論自体はまだ確認されていないため、当然ながらこの説明は検証に耐えません。クォークの閉じ込めは真空の特性によって引き起こされる可能性が高いことが現在ではわかっていますが、これが真実かどうかはまだわかっていません。

これまでに、素粒子物理学の標準モデルにおける61の基本粒子のうち60が発見されています。計算してみましょう。まず、クォークにはアップ、ダウン、オッドボール、ボトム、トップの 6 種類があります。しかし、これらはたった 6 つのフレーバーで、色の料金もかかります。 3 つの色があり、3 x 6 = 18 で、対応する反粒子を追加すると、合計 36 個のクォークが存在します。さらに、レプトンには電子、ミューオン、タウの 6 種類があり、さらに電気ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノ、およびそれらの反粒子があり、合計 12 個のレプトンになります。クォークとレプトンは物質を構成する粒子であり、その数は合計 36+12=48 です。また、相互作用力を伝達するゲージボソンには、強い力を伝達するグルーオンが8種類、電磁力を伝達する光子が1種類、弱い力を伝達するW±とZ0の3種類、合計12種類あり、48+12でちょうど60種類になります。では、なぜ現在の標準モデルには 61 個の基本粒子があるのでしょうか?それは重力子でしょうか？いいえ、重力は標準モデルの範囲外なので、重力子はカウントされず、確認されていません。最後の粒子は、神の粒子として知られるヒッグス粒子です。厳密に言えば、標準モデルが成立するためにはヒッグス粒子が存在しなければならないので、標準モデルを確立する際にヒッグス粒子を直接組み込むことになりますが、この神の粒子とは何でしょうか?見つけられますか？

著者: ママは人気の科学クリエイターを言う

査読者: 羅慧謙、中国科学院物理研究所准研究員

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