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すべての自然は、いくつかの異なる方法で互いに相互作用する一握りの構成要素 (基本粒子) から生まれます。 1970 年代に、物理学者はこれらの粒子と相互作用を記述する一連の方程式を開発しました。これらの方程式は、現在素粒子物理学の標準モデルとして知られている簡潔な理論を形成しました。
標準モデルにはいくつかのパズルのピースが欠けています (暗黒物質を構成する推定粒子、重力を伝える粒子、ニュートリノの質量の説明が著しく欠けています) が、ほぼすべての非常に正確な図を提供します。その他の観察された現象。
しかし、自然の基本的な秩序に関する私たちの最善の理解をカプセル化するフレームワークとしては、標準モデルにはまだ首尾一貫した視覚化が欠けています。ほとんどの試みは単純すぎるか、重要な相互接続を無視するか、ごちゃごちゃして圧倒されます。
粒子の周期表を示す最も一般的な視覚化を考えてみましょう:
このアプローチでは、粒子間の関係についての洞察は得られません。力を運ぶ粒子 (つまり、電磁力を伝える光子、弱い力を伝える W および Z ボソン、強い力を伝えるグルオン) は、物質粒子と同じ立場に置かれます。間で作用します—クォーク、電子、およびそれらの同族。さらに、「色」などの重要なプロパティは省略されています。
2013 年の映画 Particle Fever 用に別の表現が開発されました :
この視覚化では、ヒッグス粒子の中心性が適切に強調されていますが (以下で説明する理由により、標準モデルの要)、ヒッグス粒子は光子とグルオンの隣に配置されていますが、実際にはヒッグス粒子はこれらの粒子に影響を与えていません。また、円の四分円は誤解を招きます — たとえば、光子は接触する粒子にのみ結合することを暗示していますが、そうではありません。
新しいアプローチ
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であるクリス・クイッグは、標準モデルを視覚化する方法について何十年も考えてきました。より強力な視覚的表現が、人々が自然の既知の粒子に親しみ、考えるよう促すのに役立つことを望んでいます.これらの粒子がより大きく、より完全な理論的枠組みにどのように適合するかについて。 Quigg の視覚的表現は、標準モデルの根底にある秩序と構造をより多く示しています。彼は自分のスキームを「二重シンプレックス」表現と呼んでいます。これは、自然界の左手と右手の粒子がそれぞれシンプレックス (三角形の一般化) を形成するためです。 Quigg のスキームを採用し、さらに修正を加えました。
二重シンプレックスをゼロから構築しましょう。
底辺のクォーク
物質粒子には、レプトンとクォークの 2 つの主な種類があります。 （自然界のあらゆる種類の物質粒子には、同じ質量を持ちますが、他のすべての点で反対の反物質粒子も存在することに注意してください。他の標準モデルの視覚化が行ったように、反物質を除外します。 、逆二重シンプレックス。)
クォーク、特に原子核内の陽子と中性子を構成する 2 種類のクォークから始めましょう。これらは、電荷の単位の 3 分の 2 を持つアップ クォークと、-1/3 の電荷を持つダウン クォークです。
アップ クォークとダウン クォークは、運動方向に対して時計回りに回転しているか反時計回りに回転しているかによって、「左巻き」または「右巻き」のいずれかになります。
弱い変化
左巻きのアップ クォークとダウン クォークは、弱い力と呼ばれる相互作用を介して、互いに変換することができます。これは、クォークが W ボソンと呼ばれる粒子 (弱い力のキャリアの 1 つ) を +1 または -1 の電荷と交換するときに発生します。これらの弱い相互作用は、オレンジ色の線で表されます:
不思議なことに、自然界には右巻きの W ボソンは存在しません。これは、右巻きのアップ クォークとダウン クォークが W ボソンを放出または吸収できないため、互いに変換しないことを意味します。
強い色
クォークはまた、色と呼ばれる一種の電荷を持っています。クォークは、赤、緑、青のいずれかの色電荷を持つことができます。クォークの色は強い力に敏感です.
強い力は、異なる色のクォークを陽子や中性子などの複合粒子に結合します。これらは「無色」であり、正味の色電荷はありません。
クォークは、強力な力のキャリアであるグルオンと呼ばれる粒子を吸収または放出することによって、ある色から別の色に変化します。これらの相互作用は、三角形の側面を形成します。グルーオン自体が色電荷を持っているため、グルーオン同士やクォークと常に相互作用しています。グルオン間の相互作用が三角形を埋めます。
もっと重要
次に、別の種類の物質粒子であるレプトンに目を向けましょう。レプトンには、-1 の電荷を持つ電子と電気的に中性のニュートリノの 2 種類があります。
左巻きのアップクォークとダウンクォークと同様に、左巻きの電子とニュートリノは弱い相互作用を介して互いに変換できます。ただし、右手系ニュートリノは自然界では見られません。
レプトンは色電荷を持たず、強い力を介して相互作用しないことに注意してください。これがクォークと区別する主な特徴です。
シンプレックス スケルトン
ここまでの作業をまとめると、左側に左巻きの粒子、右側に右巻きの粒子が表示されます。それらは Quigg の二重単体の基本骨格を形成します。
三世代
ここで複雑な問題が発生しました。理由は不明ですが、各タイプの物質粒子の 3 つの段階的に重くなるが、その他の点では同一のバージョンが存在します。たとえば、アップ クォークとダウン クォークに加えて、チャーム クォークとストレンジ クォーク、さらに重いトップ クォークとボトム クォークがあります。同じことがレプトンにも当てはまります。電子ニュートリノと電子ニュートリノに加えて、ミューニュートリノとミューニュートリノ、タウニュートリノとタウニュートリノがあります。 (ニュートリノの質量は小さいが不明であることに注意してください。)
これらすべての粒子は、二重シンプレックスの角に住んでいます。異なる世代の左手系クォーク間で少量の弱い相互作用が発生することに注意してください。たとえば、アップ クォークが時折 W ボソンを吐き出し、ストレンジ クォークになる可能性があります。異なる世代のレプトンがこのように相互作用することは見られていません.
フォースとチャージ
粒子が互いに相互作用する他の方法は何ですか?多くの物質粒子が電荷を持っていることはすでに述べましたが、実際にはニュートリノを除くすべてです。電荷を持つということは、これらの粒子が電磁力に敏感であることを意味します。それらは、電磁力のキャリアである光子を交換することによって互いに相互作用します。電磁相互作用は、荷電粒子同士を結ぶ波線として表されます。これらの相互作用は粒子を互いに変換しないことに注意してください。この場合、粒子は押したり引いたりするだけです。
弱い力は、前に説明したよりも少し複雑です。 W ボソンと W ボソン (弱い力の荷電キャリア) の他に、Z ボソンと呼ばれる弱い力の中性キャリアもあります。粒子は、ID を変更せずに Z ボソンを吸収または放出できます。電磁相互作用と同様に、これらの「弱い中立相互作用」は、エネルギーと運動量の損失または獲得を引き起こすだけです。ここでは、弱い中立的な相互作用がオレンジ色の波線で表されています。
弱い中性相互作用が電磁気的相互作用によく似ているのは偶然ではありません。弱い力と電磁力はどちらも、宇宙の最初の瞬間に存在した、電弱相互作用と呼ばれる単一の力から派生しています。
宇宙が冷えるにつれて、電弱対称性の破れとして知られるイベントが力を2つに分割しました.このイベントは、ヒッグス粒子と呼ばれる粒子に関連する、ヒッグス場として知られる空間全体に広がる場の突然の出現によって特徴付けられました — パズルの最後のピースです.
ヒッグスに入る
ヒッグス粒子は標準モデルの要であり、二重シンプレックス配置が理にかなっている理由の鍵です。初期の宇宙でヒッグス場が発生したとき、左巻きの粒子と右巻きの粒子が結合し、同時に粒子に質量と呼ばれる特性が吹き込まれました。 (ニュートリノには質量がありますが、ヒッグス以外のメカニズムに由来するため、その起源は謎のままです。)
これは、この世代の大衆がどのように機能するかの漫画版です。電子などの粒子が空間を移動するとき、粒子は常にヒッグス粒子 (ヒッグス場の励起) と相互作用します。左巻きの電子がヒッグス粒子に衝突すると、その電子は新しい方向に跳ね返って右巻きになり、別のヒッグス粒子に衝突して再び左巻きになる、という具合です。これらの相互作用は電子の速度を低下させます。これが「質量」の意味です。
一般に、粒子がヒッグス粒子と相互作用するほど、粒子の質量は大きくなります。さらに、ヒッグス粒子との頻繁な相互作用により、これらの巨大な粒子は左巻きと右巻きの量子混合物になります。
これで、素粒子物理学の標準モデルができました:
