と、ここまでは主要には名前の問題で、別に物理ではない。何々家の何代目という話だ。

ここからが俄然難しくなる。「標準模型」の右側の5つだ。敬遠したいところだが、なにせヒッグス粒子を知るために始めた学習だから、止めるわけにはいかない。多分挫折するだろうが、とにかく手を着けてみることにする。

教材は同じく「キッズ・サイエンティスト」

1 自然界には4つの力がある

それらの自然力の4つの力とは、
重力
電磁気力
弱い力
強い力
です。

A 重力

①重力とは重力子の交換のことです。

②重力は質量に比例しますが、質量は形を変えたエネルギーであり、エネルギーの塊です。それはE=mc2 で表されます。

③このエネルギーを担うのが重力子です。重力子は質量を持ちません。

B 電磁気力

①私たちが日常経験する重力以外のすべての力は、物理学的には、電磁気力です。

②電磁気力は、光子の交換によって伝わります。光子も質量を持ちません。

C 「弱い力」

①「弱い力」は、通常、電磁気力よりもはるかに弱いので、この名前がつけられました。

②「弱い力」はWボソン(ウィーク)、Zボソン(ゼロ)粒子の交換によって伝わります。この粒子には質量があります。質量のない重力子や光子に比べると、とても短い距離の間でのみ働きます。(なぜ質量があるのか、いろいろ説明があるが省略)

D 「強い力」

①電磁気力の 100 倍程の強さを持つ最も強力な力。しかし到達距離は短く、日常感じることはありません。

②クォークの世界の主役。クォークを結びつけ、陽子 (p) や中性子 (n) を作り、また陽子同士の間に働く電気的な斥力に打ち勝ち、中性子とともに原子核を作ります。

③「強い力」は、グルーオン粒子によって媒介されます。グルーオンも質量を持ちません。

④グルーオンには8種類の組み合わせが存在する。

2 四つの力の大統一理論

さすがにここまで来ると、さっぱりわかりません。

要は、「強い力」がクォークの中だけにとどまるのはなぜか? ということから出発しているようです。

より根本的には、電磁気力・「弱い力」と「強い力」の総和がゼロにならないと、「世の中バランスとれないんじゃないの?」 ということです。これが超対称性理論ということのようです。(自信ないが…)

そこで登場するのが、模型図で言うとZボソンの脇にくっついている、17番目の素粒子ヒッグス粒子ということになる。これが超対称性粒子の候補とされているようだ。

最初に見たウィキペディアでは、Zボソンの脇に所在なげに置かれていたが、このサイトの図は、堂々とヒッグス一家を成しています。

3 質量を与える粒子

標準模型が原理として用いているのはゲージ場理論といわれます。この理論が成り立つには、すべての素粒子の質量が厳密にゼロでなくてはなりません。

ところがクォークやレプトンは質量をもつことが明らかになっています。これは矛盾です。

この矛盾は、「現在の宇宙が“ヒッグズ場”の中に浸っていると仮定すると解くことができる」のだそうです。

すなわち、ビッグバンから、10-13秒過ぎたころに、「それまで真空だった宇宙はヒッグス粒子の場で満たされてしまった」のだそうです。

これはちょうど水蒸気が冷えて、液化して水になる状況に例えられます。宇宙の冷却とともに真空はヒッグス粒子の海になってしまったわけです。(分かりやすい例えです。ありがとう)

クォークやレプトンはヒッグス場によるブレーキを受けます。その結果、質量のある粒子と同じふるまいをするようになるのです。(m=E/c2 だからエネルギーが減速した分が質量になるわけだ)

4 なぜヒッグス粒子は発見できなかったのか

理論的には以前から予想されていたのに発見が遅れたのは、ヒッグス粒子が重いためです。

このために、ヒッグス粒子を発見するには、これまでの加速器では発生不可能な高いエネルギーが必要でした。

それがこのたびスイスに建設された次世代加速器LHCで可能になったのです。


何とか挫折せずに済んだ。それにしても、自分の頭がキッズ並みだということが良く分かった。疲れた。