弱い相互作用

背景

素粒子物理学の標準模型は、電磁相互作用、弱い相互作用、強い相互作用を理解するための統一された枠組みを与える。2つの粒子（通常、必ずしも半整数スピンフェルミオンではないが）が整数スピンで力を運ぶボソンを交換すると相互作用が生じる。このような交換に関わるフェルミオンは素粒子（例えば電子やクォーク）や複合粒子（例えば陽子や中性子）のいずれかであるが、最も深い準位では全ての弱い相互作用は究極的には素粒子間である。
弱い相互作用の場合、フェルミオンはW⁺, W⁻, Zボソンとして知られる3つの異なる種類のフォースキャリアを交換できる。これらの各ボソンの質量は、陽子や中性子の質量よりもはるかに大きく、弱い力の短い範囲と一致している。与えられた距離における場の強度が通常、強い核力や電磁力の場の強度よりも数桁小さいため、「弱い」力と呼ばれる。
中性子や陽子などの複合粒子を構成するクォークは、アップ、ダウン、ストレンジ、チャーム、トップ、ボトムの6つの「フレーバー」からなり、複合粒子に特性を与える。弱い相互作用はクォークが他のクォークとフレーバーを交換できるという点で特有である。これらの特性の交換はフォースキャリアボソンにより媒介される。例えば、β⁻崩壊中に中性子内のダウンクォークはアップクォークに変化し、これにより中性子が陽子に変わり電子と電子反ニュートリノが放出される。
弱い相互作用はパリティ対称性を破る唯一の基本相互作用であり、同様に電荷パリティ対称性を破る唯一の相互作用である。
弱い相互作用をともなう現象の他の重要な例としては、ベータ崩壊および太陽の熱核過程の動力となる水素のヘリウムへの核融合がある。ほとんどのフェルミ粒子は時間の経過とともに弱い相互作用により崩壊する。炭素14は窒素14との弱い相互作用により崩壊するため放射性炭素年代測定が可能となる。また、これによりトリチウム照明およびベータボルタイクスの関連分野で一般的に使われる放射線ルミネセンスも生成することができる。
初期宇宙のクォーク時代に、電弱力が電磁力と弱い力に分かれた。

歴史

1933年、エンリコ・フェルミはフェルミ相互作用として知られる弱い相互作用の最初の理論を提案した。彼はベータ崩壊が距離のない接触力含む4フェルミオン相互作用により説明できることを提案した。
しかし、非常に短いが、これは有限の範囲を持つ非接触力場としてより良く説明される。1968年、シェルドン・グラショー、アブドゥッサラーム、スティーヴン・ワインバーグは電磁力と弱い相互作用を、これらが現在電弱力と呼ばれる1つの力の2つの側面であることを示すことで統一した。
WボソンとZボソンの存在は、1983年まで直接確認されなかった。

相互作用の種類

弱い相互作用には2つのタイプがある（頂点と呼ばれる）。1番目は電荷を運ぶ粒子により媒介されるため"荷電カレント相互作用"と呼ばれ（W⁺やW⁻ボソンなど）、ベータ崩壊現象の原因である。2番目は中性粒子であるZボソンにより媒介されるため"中性カレント相互作用"と呼ばれる。

電弱理論

素粒子物理学の標準模型は、電磁相互作用と弱い相互作用を単一の電弱相互作用の2つの異なる面として説明する。この理論は1968年ごろにシェルドン・グラショー、アブドゥッサラーム、スティーヴン・ワインバーグにより発展され、3人は1979年にノーベル物理学賞を受賞した。ヒッグス機構は、3つの質量のあるゲージボソン（W⁺, W⁻, Z, 3つの弱い相互作用のキャリア）質量のない光子（γ, 電磁相互作用のキャリア）の存在を説明する。
電弱理論によると、非常に高いエネルギーにおいて宇宙にはヒッグス場の4つの成分があり、その相互作用は光子に似た4つの質量のないゲージボソンにより運ばれ、複素スカラーヒッグス場ダブレットを形成する。しかし、低いエネルギーでは、ヒッグス場の1つが真空期待値を獲得するため、このゲージ対称性は自発的に電磁気のU(1)対称性に破れる。この対称性の破れは3つの質量のないボソンを生成すると予想されるが、代わりに他の3つの場により統一され、ヒッグス機構を介して質量を獲得する。これらの3つのボソンの統合により、弱い相互作用のW⁺, W⁻, Zボソンが生成される。4番目のゲ０ジボソンは電磁気の光子であり、質量がないままである。
この理論は、発見前にZボソンとWボソンの質量を予測するなど多くの予測を行ってきた。2012年7月4日、大型ハドロン衝突型加速器のCMSとATLASの実験チームは独立に、質量125–127 GeV/c²のこれまで未知のボソンを公式に発見したことを確認したことを発表した。このボソンのそれまでの振る舞いはヒッグス粒子と「一致」していたが、新しいボソンが何らかのタイプのヒッグス粒子であることを積極的に特定する前にさらにデータと分析が必要であるという注意を加えた。2013年3月14日までにヒッグス粒子が存在することが暫定的に確認された。
電弱対称性の破れスケールが下がった場合、破れていないSU(2)相互作用は最終的に閉じ込められる。SU(2)がそのスケールを超えて閉じ込められる代わりのモデルは、低エネルギーでは標準模型と定量的に類似しているが、対称性の破れを超えると劇的に異なる。

対称性の破れ

自然の法則は鏡の反射の下では同じままであると長らく考えられていた。鏡を通して見た実験結果は、実験装置の鏡で反射した写しの結果と同一であると予想された。このいわゆるパリティ保存則は、古典的な重力、電磁気学、強い相互作用により考慮されることが知られており、普遍的な法則であると仮定されていた。しかし、1950年代半ば楊振寧と李政道は弱い相互作用がこの法則に反する可能性があることを提案した。呉健雄と共同研究者が1957年に弱い相互作用がパリティに反することを発見し、楊と李の1957年ノーベル物理学賞受賞をもたらした。
かつてはフェルミの理論で弱い相互作用が説明されていたが、パリティ破れと繰り込み理論の発見により、新たなアプローチが必要であることが示唆された。1957年、ロバート・マーシャクとジョージ・スダルシャン、そして少し遅れてリチャード・ファインマンとマレー・ゲルマンが弱い相互作用のためにV−A（ベクトルマイナス軸性ベクトルもしくは左巻き）ラグランジアンを提案した。この理論では、弱い相互作用は左巻きの粒子（および右巻きの反粒子）にのみ作用する。左巻きの粒子を鏡で反射したものは右巻きであるため、これがパリティの最大破れを説明する。V−A理論はZボソンが発見される前に開発されたため、中世カレントの相互作用に加わる右巻きの場は含まれていなかった。
しかし、この理論により複合的な対称性CPを保存することができた。CPはパリティP（左から右への切り替え）と荷電共役C（粒子と反粒子の切り替え）の組み合わせである。1964年にジェイムズ・クローニンとヴァル・フィッチがK中間子崩壊でもCP対称性が破れるという明確な証拠を提供し、物理学者を再び驚かせた。2人は1980年にノーベル物理学賞を受賞している。1973年、小林誠と益川敏英が弱い相互作用のCP破れには2世代以上の粒子が必要であることを示し、事実上当時未知であった第3世代の存在を予測した。この発見により2008年のノーベル物理学賞の半分を獲得した。
パリティ破れとは異なり、CP破れは限られた状況でのみ発生する。その珍しさにもかかわらず、宇宙に反物質よりも物質がはるかに多く存在する理由と広く信じられており、それによりバリオン生成のアンドレイ・サハロフの3つの条件の1つを構成している。