宇宙は、燃える星から喉を鳴らす猫まで、あらゆる種類の奇妙で美しい形の物質を、わずか 3 つの基本的な成分から作り上げてきました。電子と「アップ」と「ダウン」と呼ばれる 2 種類のクォークがさまざまな方法で混合され、存在するすべての原子が生成されます。
しかし、不可解なことに、この物質粒子のファミリー (アップ クォーク、ダウン クォーク、電子) だけが存在するわけではありません。物理学者は、これらの粒子が 3 つの連続する「世代」の粒子の最初の世代であり、それぞれが最後の世代よりも重いことを発見しました。第 2 世代と第 3 世代の粒子は、エキゾチックな猫を形成するには速すぎて軽い対応物に変換されますが、それ以外は同じように動作します。まるで自然の法則が三重に構成されているかのようです。 「理由はわかりません」と、カールトン大学の素粒子物理学者である Heather Logan 氏は述べています。
1970 年代、物理学者が最初に素粒子物理学の標準モデル (既知の素粒子とその相互作用を記述する一連の方程式) を最初に作成したとき、彼らは各タイプの物質粒子が 3 世代存在する理由を説明する深い原理を探し求めました。 .誰もコードを解読しなかったため、この問題はほとんど脇に置かれました。しかし今、ノーベル賞を受賞した物理学者で、標準モデルの設計者の 1 人であるスティーブン ワインバーグが、古いパズルを復活させました。 86 歳でテキサス大学オースティン校の教授である Weinberg 氏は、Physical Review D 誌の最近の論文で次のように主張しています。 粒子の塊の興味深いパターンが前進する可能性がある.
カリフォルニア大学サンタバーバラ校の理論物理学者であるアンソニー・ジーは、「ワインバーグの論文は暗闇の中の稲妻のようなものです。 「突然、現場の巨人が再びこれらの問題に取り組んでいます。」
カリフォルニア大学アーバイン校の物理学者 Mu-Chun Chen は、「この問題を再検討することが重要であると彼が考えているのを見て、とてもうれしく思います。多くの理論家はあきらめる準備ができていると彼女は言いましたが、「私たちはまだ楽観的であるべきです.」
標準モデルは、各粒子がその質量を持つ理由を予測しません。物理学者はこれらの値を実験的に測定し、手動で結果を式に代入します。測定によると、極小の電子の重さは 0.5 メガ電子ボルト (MeV) であるのに対し、ミューオン粒子とタウ粒子と呼ばれるその第 2 世代と第 3 世代の対応物は、それぞれ 105 MeV と 1,776 MeV であることが示されています。同様に、第 1 世代のアップ クォークとダウン クォークは比較的軽量ですが、第 2 世代を構成する「チャーム」クォークと「ストレンジ」クォークは中型であり、第 3 世代の「トップ」クォークと「ボトム」クォークは重いです。巨大な 173,210 MeV の重さのトップ。
大衆の広がりは広大です。しかし、物理学者が目を細めると、質量が落ちる場所に興味をそそる構造が見えます。粒子は幾分等間隔の世代にクラスター化されます。第 3 世代の粒子はすべて数千 MeV の重さで、第 2 世代の粒子は約数百 MeV の重さで、第 1 世代の粒子はそれぞれおよそ MeV で入ります。 「レベルを下げるごとに、指数関数的に軽くなります」と、イリノイ州のフェルミ国立加速器研究所の素粒子物理学者、パトリック フォックスは言います。
標準モデルの方程式では、各粒子の質量は、ヒッグス場として知られる宇宙を満たす場を「感じる」度合いに対応します。トップクォークが重いのは、ヒッグス場を移動する際にハエがハチミツに詰まったように強い抗力を受けるためです。このフレームワークでは、各粒子がフィールドをどのように感じるかが、粒子の固有の属性です。
標準モデルの若さの全盛期には、これらの属性がどこから来たのかを説明することが、次の論理的なステップと見なされていました。 Zee は当時の大学院生である Stephen Barr に、博士課程のプロジェクトとして電子の質量を計算するように依頼したことを思い出します。これは、40 年以上経った現在、Weinberg の最近の論文が苦労している作業です。 Barr と Zee は 1978 年に大まかなアイデアを発表しましたが、そのほんの数年後にひも理論が爆発的に登場し、そのような努力は一掃されたと Zee は言います。
バーとジーの主なアイデアは、ワインバーグの初期の作品に部分的に触発され、ミサに従うことでした。トップクォークの重厚なバルクと比較すると、電子と他の粒子の質量は丸め誤差のように見えます。おそらくそれは彼らがそうであるからです。 Barr と Zee は、より重い粒子の重さだけが何らかの意味で基本的であると示唆しました.
Fox と Fermilab の Bogdan Dobrescu による 2008 年の理論は、中断したところから再開されました。トップクォークの質量はたまたまヒッグス場の平均エネルギーとほぼ同じであるため、Fox と Dobrescu は、トップクォークだけが標準的な方法で場を通り抜けると仮定しました。 「トップスはある意味で明らかに特別です」と Fox は言いました。
他の粒子はヒッグス場を間接的に経験します。これが可能なのは、量子力学的な不確実性により、粒子が短時間実体化できるためです。これらのつかの間の幻影は、より永続的な実体の周りに「仮想」粒子の雲を形成します。たとえば、仮想トップ クォークが (第 2 世代の) ミューオンの周りに群がると、新しい理論上の粒子との相互作用によってミューオンがヒッグス場にさらされ、ミューオンにわずかな質量が与えられる可能性があります。しかし、露出は間接的であるため、粒子は上部よりもはるかに明るいままです.
この量子電話ゲームの第 2 ラウンドでは、第 1 世代の電子が同様の要因で再び軽くなり、数千、数百、数 MeV の質量の大まかな世代間隔が説明されます。 (すべての中で最も軽い粒子であるニュートリノも 3 世代で発生します。しかし、それらは他の基本的な大質量粒子とは非常に異なる働きをするため、そのようなスキームには当てはまりません。)
Weinberg の最近の出版物では、この電話ゲームが機能するさまざまな方法が検討されています。彼は、第 3 世代の物質粒子全体、つまりトップ クォーク、ボトム クォーク、およびタウ粒子にヒッグス場を感じる能力を与えます。そこから、エキゾチックな仮想粒子との相互作用を介して、質量が第 2 世代および第 1 世代に流れ落ちます。
しかし、ワインバーグとフォックスとドブレスクの試みはどちらも不十分です。後者の 2 つは、3 世代の粒子質量を説明するために、標準モデルの説明できない定数の数を (減少させるのではなく) 増加させることになりました。ワインバーグの提案は、特定の質量間の関係を誤っており、より高い世代の粒子がどのようにしてより低い世代の粒子に変化するかを説明できていません (なぜ原子が第二世代または第三世代の粒子で構成されていないのかを説明する現象です)。 Weinberg は彼の仕事について議論することはできませんでしたが、Fox は、Weinberg がこの論文を書いたのは、新参者が挑戦することを奨励し、彼らが遭遇する問題にフラグを立てることを示唆している可能性が高いと示唆しています.
フォックスは、これらのハードルは致命的な打撃ではなく、理論をさらに調整する必要があることを示していると考えています。 「自然は、最初に想像した通りになることはありません」と彼は言いました。 「あなたは素晴らしいアイデアを思いついたので、80% はそこにたどり着きました。」
他の人は、第 3 世代を選び出し、粒子の一時的な雲をマッサージすることがそもそも正しい道であると確信していません。 「それは手で入れるものなので、その場しのぎに思えます」とチェンは言いました。彼女は、ひも理論のようなより大きな枠組みの中に標準モデルを埋め込むことで、3 世代を説明したいと考えています。彼女が研究しているモデルの 1 つは、いくつかの新しいヒッグスのような場を宇宙に追加することで、基本的な質量値の数を減らしていますが、これらの仮定された場に関連付けられているエキゾチックな粒子は、ヨーロッパの大型ハドロン衝突型加速器で検索するには重すぎます。
物質粒子の質量の理論を支持または区別できる唯一の確固たる証拠は、それぞれが予測するさまざまなエキゾチックな粒子の発見です。大型ハドロン衝突型加速器はまだ見られていませんが、フォックスは幻影がいつか現れるという希望を完全に失ったわけではありません。彼は、フェルミ研究所の Mu2e 実験が今年オンラインになったときに研究するミュオンから電子への崩壊など、まれな粒子の変換を調査する実験が、干渉粒子を間接的に検出し、標準モデルを揺るがす可能性が最も高いと考えています.
「これが理にかなっているのかどうかはわかりません」と彼は言いました。 「様子を見る必要があります。」
この記事はに転載されました Wired.com .
