弱い核力| ニューサイエンティスト

自然の4つの既知の基本的な力の中で、弱い核力は最も明白な目的を持たないものです。 重力は星を一緒に保持し、私たちを地面に保ちます。 電磁力は原子の安定性を確保し、化学を起こさせます。 強い核力は、物質の核である原子核を一緒に保持し、星の燃焼を促進します。

弱い力の影響は、20世紀の変わり目に、それが最も明らかに機能している場所、つまり放射性ベータ崩壊で最初に発見されました。 この崩壊の最も一般的な形態であるベータマイナス崩壊では、中性子が陽子に崩壊し、電荷を節約するために負に帯電した電子も放出します。 ベータプラス崩壊は逆になり、陽子を中性子に変えます。

これと弱い力が何であるかを理解するために、最初に強い核力に言及する必要があります。 強い力がクォークと呼ばれる素粒子を結びつけ、原子核の陽子や中性子などの粒子を形成します。 陽子と中性子は両方とも、上下に2つのタイプの3つのクォーク、つまり「フレーバー」の複合体です。 陽子は上下に、中性子は上下に構成されています。 したがって、強い力がクォークを結合する場合、弱い力によってクォークのフレーバーが変化することが明らかになります。たとえば、ベータ崩壊では、ダウンクォークをアップクォークに、またはその逆に切り替えます。

風変わりに聞こえますが、それは無関係ではありません。太陽のような星の中で陽子を中性子に変える弱い力の作用だけが、核融合がその核内で地面から降りることを可能にします。 星の燃焼、つまり生命の存在は、弱い力に依存しています。

なんでこんなに弱いの？ 1930年代に、物理学者がはるかに筋肉質の電磁力の量子論を考案していたとき、彼らは説明を思いついた。 電磁気学を伝達する量子粒子である光子には質量がないため、理論上、光子を作成して長距離（無限距離）に伝達するのは簡単です。 弱い力が同じような粒子によって伝達されたが、それが非常に大きい場合、場の量子論の規則に従って、弱い力の弱さを説明して、そのようにすることは非常に困難です。 実際、弱い力を運ぶそのような「ボソン」粒子は3つあります– W⁺、W^– およびZ⁰、その存在は、1983年にスイスのジュネーブ近くの研究センターCERNの物理学者によって確認されました。

弱い核力と電磁気学の類似点は、それらが1つの「電弱」場の量子論によって説明できることを示唆するところまで行きました。 しかし、力の統一のこの興味をそそる見通しを調査している物理学者は、つまずきに絶えず遭遇しました：電弱理論は、光子、Wだけでなく要求しました⁺、W^– およびZ⁰ すべて質量がないはずですが、新しい力を介して相互作用したすべての粒子も質量がないはずです。

1967年に物理学者のアブドゥッサラームとスティーブンワインバーグによって逃げ道が見つかりました。彼らは、すべての粒子がビッグバンで実際に質量なしで生まれ、弱い力と電磁力の間、およびそれらを運ぶ4つの粒子の間に完全な対称性があることを提案しました。 しかし、この対称性は不安定でした。 宇宙が冷えると、ガスが液体に凝縮するときの相転移のように、自発的対称性の破れと呼ばれるプロセスが発生しました。これにより、粒子はさまざまな質量を獲得しました。

この変換を実現するために、彼らは1964年にPeter Higgsや他の人たちによって考案された別の数学的トリックを利用しました。これには、通過するときにさまざまな粒子とさまざまな程度で相互作用するフィールドを持つさらに別の粒子の存在が必要でした。質量の異なるもの。 このヒッグス粒子は、最終的に2012年にCERNで発見されたとき、電弱理論の最高の勝利と、それが不可欠な部分である素粒子物理学の「標準モデル」を提供しました。

弱い力のもう1つのしわは言及する価値があります。 ベータ崩壊に戻ります。 物理学者のヴォルフガング・パウリが1930年に困惑して指摘したように、中性子が陽子と電子に崩壊すると仮定した場合、崩壊のエネルギー合計は加算されません。 彼は、別の粒子が崩壊中に放出されなければならないことを提案しました。1つは電荷がなく、質量はごくわずかです。 彼は正しいことが証明されました。これらの「ニュートリノ」は、私たちが知っている中で最もとらえどころのない粒子の中で、弱い力によってのみある程度相互作用し、今では素粒子物理学の規範の不可欠な部分であり、おそらく宇宙に関する多くの謎の鍵です。 。