素粒子は本当にいくつ存在するのか？

ホーム 素粒子は本当にいくつ存在するのか？ コメント 記事を保存 後で読む シェア Facebook コピー！ リンクをコピー メール Pocket Reddit Ycombinator コメント コメント 記事を保存 後で読む 後で読む Qualia 素粒子は本当に本当にいくつ存在するのか？ by ナタリー・ウォルチョバー 2026年6月15日 もっともらしい答えは17から、真面目な話、995.5に及ぶ。 コメント 記事を保存 後で読む クリスティーナ・アーミテージ/クォンタマガジン 序文 粒子物理学について書くたびに、一見明確であるはずの量について不確実な瞬間に出くわします。何種類の素粒子があると言うべきでしょうか？ラージハドロンコライダーでの実験では、物理学者は陽子のビームを衝突させ、それらを可能な限りのすべての素粒子に分解します。一方、これらの構成要素とそれらがすべてどのように結合するかを記述するための信じられないほど正確な一連の数式を持っています。したがって、自然界の既知の粒子は経験的に観測され、理論的に記述できるため、数えることもできると考えるでしょう。しかし、残念ながらそうではありません。その理由は後で見るように、この調査は見た目ほど簡単ではないことを私は知っていました。そこで最近、何人かの物理学者にメールを送り、それぞれが自然界の基本的な構成要素をどのように数えているかを尋ねました。この問題がいかに複雑であるかの最初の兆候は、ケンブリッジ大学の物理学者であり教科書著者であるデイビッド・トンからの返信で、ビデオ通話をスケジュールしているときに届きました。「追伸：あなたの質問に対する本当の答えは整数ではないと思います！」それについては後で触れます（2011年の神秘的な計算に由来します）が、このウサギの穴の入り口から入ってみましょう。 既知の素粒子とその相互作用は、素粒子物理学の標準模型と呼ばれる一連の式に従います。標準模型は「量子場理論」であり、量子場と呼ばれる実体が宇宙に浸透している現実の数学的記述です。これらの場を伝わる波紋が私たちが素粒子と呼ぶものであり、いくつかは物質のように振る舞い、いくつかは力を伝えます。標準模型における量子場と関連する粒子は、重力、ダークマター、ダークエネルギーを除くすべての既知の物理現象の根底にあります（これらはすべて、基本的なレベルでは未知の形をとります）。教室の壁に貼られたポスターでは、標準模型は17個の粒子を表示しています。12個の物質粒子、つまりフェルミオンがあります：電子、ミューオン、タウ；3個のニュートリノ；そして6個のクォーク。それぞれがさまざまな力に対する独自の感度セットを持っています。また、4個の力伝達粒子、つまり「ボソン」があります：光子（電磁力を伝達）、WボソンとZボソン（弱い力）、そしてグルーオン（強い力）。最後に、ヒッグスボソンがあります。これは、物質でも力でもない、いわゆるスカラー粒子であり、他の粒子に相互作用を通じて質量を与えます。サミュエル・ヴェラスコ/クォンタマガジン これは単純なことかもしれません。「私は17が正しい答えだと思います」とハーバード大学の素粒子物理学教授であるメリッサ・フランクリンは私に語りました。しかし、フランクリンを含め、すべての素粒子物理学者は、注意点があることを認識しています。17から、数え続けることができます。どこで止めるかは、複雑さと謎に対するあなたの好みに依存します。いくつの粒子があるかという問題は、物質の最も基本的なレベルについて知られていることの限界に私たちを連れて行きます。 17には1つの明白な問題があります。特殊相対性理論を満たすために、標準模型の各物質場は粒子と「反粒子」の両方をサポートします。反粒子は、電気電荷が逆であること以外は粒子と同じです。これが私たちが一般的に知っている反物質です。したがって、12個の物質粒子の代わりに、実際には24個あります。同様に、WボソンはW+とW−として知られる反対の電荷を持つタイプで存在します。（これはZボソン、光子、またはグルーオンには起こりません。それらは電気的に中性です。）フランクリンは反粒子を彼女の集計から除外していると述べました。なぜなら、数学的にはそれらが粒子バージョンを多かれ少なかれ反映しているからです。（奇妙なことに、反粒子は時間を逆行する粒子と等価であり、逆もまた同様です。）どちらも他方なしには存在できないので、2回数えるべきではありません。しかし、私はその理由付けは説得力がないと感じています。粒子と反粒子は、秘密の双子であるとしても、紛れもなく別個のものです。それらは互いに変換することはできません（ニュートリノは、おそらく自分自身の反粒子である可能性はありますが、それ以外はできません）、そして機能的に同等であるどころか、現実において全く異なる役割を果たしています。私たちの宇宙では物質が非常に支配的であるため、反物質は通常、物質とすぐに遭遇して消滅します。宇宙の物質と反物質の非対称性の理由は、物理学の大きな謎です。反粒子を加えると合計は30になります。 しかし、グルーオンが1つしかないという考え方は、もう1つの単純化です。実際、強い力は8つのグルーオン（およびそれらに関連する場）によって伝えられ、それぞれが「色」と「反色」として知られる独特の電荷の組み合わせを持っています。異なるグルーオンは実験的に区別できないため、フランクリンは実験家であるにもかかわらず、8つすべてを個別に数えるべきかと尋ねると、軽蔑して首を振りました。しかし、標準模型を定義する数式では、8つのグルーオンはWボソンとZボソンが異なるのと同じように、互いに区別されます。一貫性を保つためには、おそらく8つすべてを数える必要があります。これで37になります。 クォークにも色があります。3つの可能性は赤、緑、青と呼ばれ、反クォークには反色があり、反赤、反緑、反青と呼ばれます。（反赤を想像しようとあまり頑張らないでください。これらは私たちが知っている光学色ではありませんが、数学的に類推できる方法で結合します。）色はグルーオンとクォークがどのように相互作用するかを反映しています。安定して孤立して物質が存在するためには、色が中性でなければなりません。したがって、赤色光、緑色光、青色光が混ざって白色になるのと同じように、赤、青、緑のクォークが結合して色中性の陽子と中性子（原子の構成要素）を形成します。したがって、6個のクォークと6個の反クォークではなく、合計36個になります。これで素粒子は61個になります。 しかし、まだあります。物質粒子には、左巻きと右巻きの多様性があり、カイラリティとして知られる性質があります。これは、おそらく重要な区別です。「私は左巻きと右巻きの粒子にこだわります」とフェルミ国立加速器研究所のシニア粒子理論家であるクリス・クイッグは私に語りました。「私はこれを説明できません。私の両親のせいです。」（より特異なことに、クイッグは力伝達粒子を彼のリストから除外しています。なぜなら、それらを粒子ではなく物質粒子の変換と見なしているからです。）カイラリティは、化学者が分子に見る手のひら性や、私たちの腕の先端に見る手のひら性の量子バージョンです。それは幾何学的な配置ではありませんが、数学的には2つの状態は互いの鏡像です。左手と右手を回転させても互いに変えることができないのと同じように、一方を回転させて他方に変えることはできません。力伝達粒子にも同様の区別があり、偏光状態として知られています。光子とグルーオンは左偏光または右偏光のいずれかですが、W+、W−、Zボソンには3番目の「縦方向」の偏光状態もあります。（この追加の状態は、ヒッグス場とビッグバン中の出来事に関連する複雑な起源を持っています。） 誰もがこれらの異なるカイラリティと偏光状態を別個の粒子タイプとして数えるわけではありません。しかし、それらは粒子の振る舞いと相互作用に影響を与えるため、そうすることは論理的です。例えば、弱い力は左巻きの物質粒子のみに影響を与えます。関連する理由により、ニュートリノは標準模型では左巻きの形でしか現れません。これらは、自然界で異なる役割を持つ物理的に別個の状態です。各カイラリティと偏光状態を個別に数えると、118個の粒子になります。右巻きの反赤反チャームクォークから、緑と反青の左偏光グルーオン、縦方向のW−ボソンまで。「さて」とトンは言いました。「奇妙なものが来ます。」