質問: 1967年にアメリカの物理学者ジェラルド・ファインバーグが名付けた、超光速で動くと仮定されている粒子を何という?
回答: タキオン

タイトル: 光速
一般に、あらゆる情報や物質は、真空中の光速よりも速く伝播することは不可能であるとされている。相対論の方程式によれば、光速よりも速く移動する物体を仮定すると、実数で表すことのできない物理量が現れ、質量が無限大になってしまうからである。しかし、光速よりも大きな速度が出現する物理的状況という現象は数多く存在する。光の「群速度」が光速を超えることが可能であるということは、理論的に古くから知られていた。ある最近の実験では、セシウム原子中の非常に短い距離を、光速の310倍の群速度でレーザー光線を伝えることに成功した。2002年にはモンクトン大学(英語版)の物理学者アラン・ハッシュ(英語版)は、超光速の群速度をもつパルスを、長い距離にわたって伝えることに初めて成功した。この実験では、同軸フォトニック結晶の120メートルケーブルの中を、光速の3倍の群速度のパルスが伝播した。

タイトル: ブラディオン
“ブラディオン”という言葉は、超光速で運動する仮説上の粒子である"タキオン"という言葉の対比として作られた。物理学の領域でも広くは使われておらず、後述の"ルクソン"とともに、タキオンを議論する文脈においてのみ用いられる。

タイトル: 超対称性粒子
超対称性粒子(ちょうたいしょうせいりゅうし、英語: supersymmetric particle、SUSY粒子) は、超対称性理論によって存在が予想されている、既存の粒子に対し、スピンが1/2ずれただけで、電荷などは等しい素粒子。スピンが1/2ずれているため、既存のフェルミオンに対し未知のボソン、既存のボソンに対し未知のフェルミオンが予想されている。ボソンとフェルミオンの対応する相方を超対称性パートナー (supersymmetric partner) という。超対称性粒子の中で最も軽いものはLSP (Lightest Supersymmetric Particle) と呼ばれる。英語: R-parityの保存を仮定すればその粒子は崩壊しない安定粒子となるため、LSPが電気的に中性であればダークマターの候補となる。

タイトル: 光の粒子説
ニュートンが自身の講演や著書『プリンキピア』及び『光学』の中で17世紀頃に提唱した仮説で、光の持ついくつかの性質は、光が粒子であるとするとうまく説明できることから、光の本質は粒子であるとするものであり、少し前に提唱された、ホイヘンスによる光の波動説と対立するものであった。19世紀に入ると様々な実験結果より、光は波動であるとする説が有力になり、粒子説はほとんど顧みられないようになった。しかし、1887年にヘルツが波動説では説明の付かない光電効果を発見した事に加え、20世紀に入ると、1900年のプランクによるエネルギー量子仮説を用いた黒体輻射の説明や、1905年のアインシュタインによる「光量子仮説」による光電効果の説明及び1923年のコンプトンによるコンプトン散乱の説明など、粒子説の復活とも言えるような、「粒子的」な性質が次々と示された。

タイトル: 量子力学の歴史
ここで導入された定数 h はプランク定数として知られている。その後、 アルベルト・アインシュタインは1905年、ハインリッヒ・ヘルツによって1887年に報告された光電効果を説明するために、マックス・プランクの量子仮説と矛盾しないような形で光が粒子からなるとする説明を与えた。 この粒子は、1926年にギルバート・ルイスによって「光子」と呼ばれるようになる。光電効果とは、金属などの特定の物質に特定の波長の光を当てると、物質表面から電子が放出される現象であるが、その物質の表面の仕事関数よりも大きなエネルギーを持つ光子が当たった場合にのみ、電子が放出される。

タイトル: エニオン
エニオン (anyon) は、二次元の系においてのみ現れる粒子である。これは、フェルミ粒子およびボース粒子の概念を一般化したものである。

タイトル: 光子
1926年、もともと光の粒子は運動量を持つということを主張していたギルバート・ルイスは、ギリシア語で「光」を意味するφῶςを由来にこの光の粒子をphoton(フォトン、光子)と名付けた。翌1927年10月には、コンプトンの提案で開催された第5回ソルベー会議では主題が"Electrons et photons (電子と光子)"と、早速 "photon" の用語が取り入れられることとなった。同年1927年にはアーサー・コンプトンがコンプトン効果の研究でノーベル物理学賞を受賞すると、多くの科学者が光の量子化の正当性を受け入れ、光量子を表すルイスのphotonという用語を受け入れた。量子論では、光子はボース粒子であり、標準模型ではさらにゲージ粒子に分類されている。電荷、質量、スピン角運動量等の光子に固有の性質はゲージ理論から決定される。

タイトル: 光子
1905年、アルベルト・アインシュタインは、電磁波が広がる際のエネルギー配分は空間的に連続的に行われないと主張し、そのエネルギー量子の大きさはその振動数に比例すると仮定すると、(外部)光電効果などをうまく説明することができることを示した。アインシュタインはこれを光量子(light quantum)と呼び、さらにプランクが導入した仮説を光量子仮説と名付けた。1908年、アメリカの物理化学者のギルバート・ニュートン・ルイスは、アインシュタインの1905年に発表した特殊相対性理論の論文を参照してはいるものの特殊相対性原理を無視して、代わりに光量子仮説とも異なる完全な光の粒子説(光の粒子が光速で運動するとき、エネルギー、質量そして運動量をもつ)を前提とし、物体の質量はその速度に依存するという公理を持つ非ニュートン力学の体系を発表した(ルイスの非ニュートン力学)。

タイトル: ツィッターベヴェーグンク
ツィッターベヴェーグンク(独: Zitterbewegung、略称: ZB; ジグザグ運動または震え運動とも)は、相対論的波動関数(英語版)に従う素粒子の予測される高速振動運動である。こういった運動の存在は、自由空間における相対論的電子についてのディラック方程式の波束解の解析の結果として1930年にエルヴィン・シュレーディンガーによって初めて提唱された。自由空間においては、正および負のエネルギー状態間の干渉が、2mc/ħ(約1.6×10ラジアン毎秒)の角周波数持つ中点を中心とする電子の位置の(最大で光速までの)揺らぎ(振動)のように見えるものを生み出す。水素原子では、ツィッターベヴェーグンクはダーウィン項(s軌道のエネルギー準位の小さな補正)を導くための発見的なやり方として導き出すことができる。

タイトル: 超電荷
超電荷(ちょうでんか、hypercharge)は、素粒子の強い相互作用に関係する量子数である。なお、物理学者は日本語訳の「超電荷」では呼ぶことはほとんどなく、英語名のまま「ハイパーチャージ」と呼ぶ。

タイトル: ブラディオン
ブラディオン (bradyon) は、光速より速く運動しない素粒子である。ブラディオンは、ターディオン (tardyon) またはイッチオン (ittyon) とも呼ばれる。質量を持つ全ての粒子はブラディオンである。

タイトル: タキオン
その後、ジョージ・スダルシャン、Olexa-Myron Bilaniuk、Vijay Deshpandeらの研究によって、その理論的枠組みが発展した。2011年9月、CERNはタウニュートリノが超光速で移動したと発表したが、その後の調査で、これは実験で使用した光ファイバのタイミングシステムの不具合により、超光速で移動したように観測されただけであることが判明した。

タイトル: 物質
一方、光子のようにスピン角運動量が1であるような素粒子は、複数の粒子が同一の量子状態を占有することが許されるボース粒子であるために、パウリの排他原理に従わず、「場所をとる」という物質特有の性質を持たない。また、光子はゲージ粒子の一種であり、質量をもたない。光子と光子は直接は相互作用したり、原子のような構造を作ったりはしない。このため日常生活においても、光や電波は「物質の一種」であるとは認識されない。クオークやレプトンそのものは元来、SU(2)L ゲージ対称性を保つ性質を持つために質量を持たないが、ビッグバン後、宇宙が冷却する過程でヒッグス場が自発的対称性の破れにより有限な真空期待値を獲得すると、この量子場との相互作用により質量をもつ物質粒子が出現したと考えられている。

タイトル: 光の波動説
ホイヘンスの提唱による。1690年に刊行した自身の著書『光についての論考』内で、回折など光に関する波動としての性質を論じ、それらの性質をホイヘンスの原理と呼ばれる1つの原理に纏め上げた。ホイヘンスは同書内において、光が波であるならば、それを伝播する何らかの媒質があって然るべきと考え、その媒質としてエーテルと言う物質を提案した。すぐ後に、ニュートンによる光の粒子説が提唱され、それぞれの説は対立するようになった。1723年に、波動説によらなければ説明できない現象がジャコーモ・フィリッポ・マラルディによって発見されている。この現象は19世紀初頭の1811年頃から1816年にかけてフランソワ・アラゴによって追試が行なわれた事からアラゴスポットと呼ばれる様になり、波動説を補強する一因となった。

タイトル: ホットダークマター
ホットダークマター (Hot dark matter) とは、超相対論的速度で飛ぶ粒子からなる、ダークマターの一形態である。ダークマターとは、電磁波と相互作用しない、したがって電磁波(光)により検知できない物質であり、重力の効果によってのみ検出される。ホットダークマターはビッグバン後に個々の銀河がどのように形成されたかを説明することはできない。宇宙マイクロ波背景放射がCOBE衛星により非常に滑らかであることが観測され、高速で運動する粒子はこのような滑らかな初期分布からは凝集することができないと考えられた。理論によると、宇宙の小スケール構造を説明するためにはコールドダークマター (CDM) もしくはウォームダークマターを仮定する必要があるとされている。

タイトル: 標準模型
2012年7月にジュネーブ郊外の欧州原子核研究機構 (CERN) で行われているLHC実験により新粒子の発見が発表された。この新粒子の性質はヒッグス粒子と良く一致しており、その後のスピン-パリティ観測、崩壊後粒子の信号強度の検証により標準模型におけるヒッグス粒子、およびこれを内包する理論によるヒッグス粒子であることが認定された。

タイトル: 素粒子
素粒子に限らない粒子の分類としては、ローレンツ変換の下での変換性を表すスピンによって大きく分類され、スピン0でスカラーとして変換するスカラー粒子、スピン1でベクトルとして変換するベクトル粒子、スピン1/2でスピノルとして変換するスピノル粒子などがある。スピン統計定理により、整数スピンの粒子はボース統計に従うボース粒子であり、半整数スピンの粒子はフェルミ統計に従うフェルミ粒子である。素粒子の分類としては、理論における役割に基づいて大別され、素粒子間のゲージ相互作用を媒介するゲージ粒子、ヒッグス機構に関連したヒッグス粒子、物質を構成する物質粒子(matter particle, matter fermion)がある。 超対称性を持つ理論においては、超対称粒子(super partner)が導入される。

タイトル: 高エネルギー荷電粒子
高エネルギー荷電粒子(こうエネルギーかでんりゅうし)とは、荷電粒子の持つエネルギーにより分類されるが、一般的に熱エネルギー分布(マクスウェル分布)に従うプラズマよりエネルギーが高い荷電粒子を指し、恒星である太陽から放出される太陽エネルギー粒子線(SEP)や太陽系外から伝播する銀河宇宙線(GCR)等がある。地上においても世界各国(日本も含む)の加速器で、この相対論的なエネルギー領域まで粒子を加速することは可能であり、素粒子実験などが頻繁に行われている。また、物理分野以外の実験(医療、自然環境)も行われている。

タイトル: ガリレイ変換
一般的に相対論的効果があらわに現れるのは概ね光速の 10 % よりも速い場合である(速度が光速の 10 % の時、相対論的効果は 0.5 % 程度現れる)。

タイトル: 単一電子宇宙仮説
ファインマンは、反粒子は逆の世界線で表すことができるというホイーラーの洞察に感銘を受け、ノーベル賞の受賞演説で次のように述べた。ファインマンは後に、1949年の論文「TheTheory of Positrons」で、陽電子を時間的に逆行方向に移動する電子として解釈することを提案した。 南部陽一郎は後に、粒子と反粒子のペアのすべての生成と消滅にそれを適用し、「時々発生する可能性のあるペアの最終的な生成と消滅は、生成でも消滅でもなく、移動する粒子の方向の変化だけです。過去から未来へ、または未来から過去へ。」

タイトル: 原子模型
20世紀になり、化学者が「原子(atoms)」と呼んでいた粒子が、実際にはさらに小さな粒子(亜原子粒子、subatomic particles)の集合体であることが物理学者によって発見されたが、科学者は慣習的にその名前を使わなかった。現在では、素粒子(elementary particle)という言葉は、実際に分割できない粒子を指して使用されている。

タイトル: 逆因果律
通信不可能定理(英:No-communication theorem)は情報の超光速転送を防ぐ。 物質と力の基本的な記述には、 空間的に分離された演算子が通う量子場理論の完全なフレームワークが必要である 。タキオンと呼ばれる仮説的な超光速粒子は、 空間的な軌道を持っているため、従来の基準フレームの観測者によると、時間的に過去に移動するように見えることがある。 過去にメッセージを送信する方法としてSFで描写されることもあるが、タキオンは標準的な因果関係に違反する方法で通常のブラディオン(通常の物質)と相互作用しない。具体的にはファインバーグ再解釈の原則は、情報を受信できるタキオン検出器を作成するために通常の物質を使用できないことを意味する 。

タイトル: 中性粒子
中性粒子(ちゅうせいりゅうし)とは物理学における電荷をもたない粒子である。英訳はNeutral particleである。

タイトル: 超弦理論
1950年代末から1960年代にかけて強い相互作用をする粒子(ハドロン)が多く発見され、それらの分類とその構成の成り立ちについての考察が始められた。超弦理論の元となった弦理論は、こうした粒子間に働く強い力の性質を記述するために考え出された。まず、1950年代はじめにトゥーリオ・レッジェは、ハドロンの散乱実験において、共鳴状態の静止質量の2乗とスピンとの間に直線関係があることを見出した(レッジェ軌道)。1968年にイタリアのガブリエル・ヴェネツィアーノは、レッジェ軌道を再現する非常に簡単な公式で「散乱振幅」として表現した(ヴェネツィアーノ振幅)。その公式を元に、ハドロンは振動する弦であると発表したのが、1970年の南部陽一郎、レオナルド・サスキンド、ホルガー・ベック・ニールセンである。

タイトル: タキオン
現代の物理学では、「タキオン」という言葉は、超光速の粒子ではなく、「虚数の質量を持つ場」を指すことが多い。このような場(タキオン場(英語版))は、現代物理学において重要な役割を果たすようになっている。タキオンの語源は、ギリシャ語で「速い」を意味するギリシア語: ταχύ(tachy)である。粒子の種類としては、常に光速で運動するルクソンと、常に光より遅く運動するブラディオンがあり、この2種類は存在することが確認されている。SF作品中で超光速通信の手段として用いられたり、疑似科学の世界でタキオングッズとして「製品化」されたりしている。

タイトル: ウントリセプチウム
理論上、存在可能な最後の元素である可能性がリチャード・ファインマンによって指摘され、それにちなんでファインマニウム (Feynmanium, Fy)という名で非公式に呼ばれる事がある。ボーアの原子模型では、原子核の電荷(電子にとっては引力)に対抗するため、それに見合った電子の速度(いわば遠心力)が必要となる。最も原子核に近い1s軌道の電子が最も高速となるが、その速度は v:電子速度、Z:陽子数、α:微細構造定数、c:光速 のとき、次式で表される。v = Z α c ≈ Z c 137.036 {\displaystyle v=Z\alpha c\approx {\frac {Zc}{137.036}}}微細構造定数の逆数 (α) は約137なので、陽子数138ではvが光速を超える。当然、光速を超えることはできず、原子核(の中の陽子1つ)に衝突して電子捕獲により原子番号が小さくなる。

タイトル: 素粒子物理学
何をもって素粒子とするのかは時代とともに変化してきており、立場によっても違い得るが現在の標準理論の枠組みにおいては、物質粒子として6種類のクォークと6種類のレプトン、力を媒介する粒子としてグルーオン、光子、ウィークボソン、重力子(グラビトン)、さらにヒッグス粒子等が素粒子だと考えられている。超弦理論においては素粒子はすべて弦(ひも)の振動として扱われる。現代の素粒子物理学は場の理論の枠組みの中で定式化されている。場の理論の中でもっとも重要な役割を果たしているのが、ゲージ場対称性や繰り込み理論の概念である。これらの概念を用いると、素粒子間に働く力である相互作用の構造を明らかにできるとともに、素粒子の崩壊率や散乱振幅などが正確に計算できることが知られている。実際、現在の素粒子物理学の理論である素粒子の標準理論は、場の理論の枠組みの中で構成されている。

タイトル: ジェラルド・ファインバーグ
ブロンクス科学高校に通い、スティーヴン・ワインバーグ、シェルドン・グラショーと同級生だった。コロンビア大学で1953年に学士号を取得し、1957年に李政道のもとで博士号を取得した。同大学で1959年から物理学の教員、1965年から教授を務め、1980年から1982年までは物理学部長を務めた。プリンストン高等研究所に1年間、ブルックヘブン国立研究所に2年間在籍した。1960年にスローン・フェローシップ(英語版)を受賞した。