クォークとレプトンと標準モデル
物質を細かくしていくと、クォークとレプトンの12種類の粒子にたどり着きます。それらの粒子の間では
ゲージ粒子(グルーオン・光子・W/Z粒子)が交換されて力が生じています(図1)。この世界では
"標準モデル"と呼ぶ理論が存在し、それから外れた現象はまだ一つも見つかっていません。しかし
標準モデルに無くてはならない"ヒッグス粒子"はまだ見つかっていません。
重いW/Z粒子の謎を解いたヒッグス場
力を媒介するゲージ粒子は重さ(=質量)が厳密にゼロであるという規則(ゲージ不変性)が
あります。WとZ粒子が陽子の約100倍の質量であることは大きな謎でした。悩んだ末、
ワインバーグやサラムら理論家たちは「(自発的にゲージ対称性が破れてその結果)
ヒッグス場があるはずだ」と結論しました。WとZ粒子はヒッグス場の抵抗を受けて動きが
鈍り質量があるように振舞います。このヒッグス場を質量の起源とする標準モデルは、
1970年代に多くの実験によって実証されました。
ヒッグス粒子は存在し、発見の競争が始まっている
ヒッグス場があるとヒッグス粒子があるはずです。その性質は標準モデルを使えば計算でき、
右表はヒッグス粒子の質量を1400億と2000億電子ボルトとした時の性質です。ヒッグス粒子の
質量だけは標準モデルでは計算できませんが、ヒントはあります。LEP加速器(CERN)で
見つからなかったので、ヒッグス粒子は1140億電子ボルトよりは重いはずです。さらに
理論的には1兆電子ボルトよりは軽いと予言されています。従ってヒッグス粒子は、現存の加速器か
建設/計画中の新しい加速器で、人工的に発生させ発見できると期待されています。
陽子反陽子コライダー | テバトロン(米国Fermilab) | 稼動中
| 陽子陽子コライダー | LHC(スイスCERN) | 建設中
| 電子陽電子リニアーコライダー | ILC | 技術開発中
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の3種の加速器のどれか、または全てでヒッグス粒子は見つかるはずです。ヒッグス粒子の
発見とその性質の詳しい研究は、標準モデルの確認のみならずより深い素粒子の真理への
出発点となるでしょう。
より深い真理の探求へ
実はより深い真理への手がかりが既にあります。標準モデルの3つの力の強さはエネルギーと
共に変化し1025電子ボルトで1点に交わることがわかりました(図2)。
3つの力は元は一つの力から分かれたとする大統一理論(GUTS)の予言と合います。
また標準モデルの最重要パラメ-ターであるワインバーグ角度(W±粒子の
兄弟のW0粒子が光の親のB粒子と混ざってZ粒子と光に変わる度合いを示す)が
LEP加速器などで1990年代に精密に測られた結果、
sin2θW=
| 0.23149±0.00017 | (実験値)
| 0.2309 | (大統一理論の予言値)
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と0.2%の精度で実験と予言が一致していることが判明しました。
3つの力が一点で交わることも、ワインバーグ角度の予言と実験の一致も、
超対称性理論(SUSY:スピンが整数の粒子と半整数の粒子の対称性)が予言する
超対称性(SUSY)粒子が1兆電子ボルトの付近に存在すると仮定しています。
このことからLHCの実験でSUSY粒子が続々と見つかると期待されています。
宇宙に存在すると言われている暗黒物質もこのSUSY粒子が有力候補です。
これから数年の間にLHCでの実験を通じて新しい素粒子物理の発見や展開が
始まるとの期待が高まっています。
次回は、ヒッグス粒子やSUSY粒子の発見をめざして
建設が進むLHC計画の現状をお伝えします。
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