標準模型

標準模型（Standard Model）

標準模型は、素粒子物理学において、自然界の基本的な力を記述する最も成功した理論の一つです。この模型は、強い相互作用、弱い相互作用、そして電磁相互作用の3つを統一的に記述します。重力を除く、現在知られているすべての素粒子と相互作用を説明できる、驚くほど精密な理論体系です。SU(3)c×SU(2)L×U(1)Y ゲージ対称性を基礎とし、ヒッグス機構による真空の対称性の破れとフェルミオンの質量獲得、アノマリーの相殺の要請によるフェルミオンの世代構造と世代間混合とCP対称性の破れについての小林・益川理論などの理論も組み込まれたものです。

標準模型の構成要素

標準模型は、以下の3つの主要な要素から構成されています。

1. ゲージ粒子 (媒介粒子)：力の相互作用を伝達する役割を担います。
グルーオン（強い力）
光子（電磁力）
Wボソン、Zボソン（弱い力）

2. フェルミオン (物質粒子)：物質を構成する基本的な粒子です。
クォーク（アップ、ダウン、チャーム、ストレンジ、トップ、ボトム）
レプトン（電子、ミューオン、タウ、ニュートリノ）

3. ヒッグス粒子: 素粒子に質量を与えるヒッグス機構に関与する粒子です。

ゲージ粒子

標準模型はヤン＝ミルズ理論に従い、それぞれのゲージ群に対応するゲージ粒子が存在します。SU(3)Cに対応するゲージ粒子はグルーオンと呼ばれています。SU(2)LとU(1)Yに対応するゲージ粒子に関しては、ヒッグス機構によりゲージ場の混合と質量の獲得が起こるので、多少複雑な様相を呈する。ウィークアイソスピン SU(2)L の非対角成分は質量を獲得してWボソンとなり、対角成分とウィークハイパーチャージ U(1)Y は交じり合って、質量を獲得するZボソンと質量を獲得しない光子になります。

フェルミオン

フェルミオンは強い相互作用をするクォークと、強い相互作用をしないレプトンに分けられます。さらに、クォークとレプトンは、それぞれ左手型（left-handed）粒子と右手型（right-handed）粒子に分類することができます。標準模型における左手型粒子は電弱相互作用のウィークアイソスピンを持つが、右手型粒子は持たない。そのため、左手型粒子と右手型粒子ではゲージ相互作用の形が異なり、標準模型はゲージ相互作用に関してカイラルな理論となっています。また、この性質のために、電弱対称性がヒッグス機構によって破れないかぎり、全てのクォークとレプトンは質量を持つことができません。全てのクォークと荷電レプトンは、ヒッグス機構によって質量を獲得します。ニュートリノは標準模型の範囲内では質量を持つことはありません
フェルミオンは左手型クォークと左手型レプトン、右手型アップクォークと右手型ダウンクォーク、右手型荷電レプトンで世代と呼ばれるグループを構成します。一般に、ゲージ相互作用を含む模型については、カイラルアノマリーと重力アノマリーが相殺されている必要があるが、世代を構成するフェルミオンの間でアノマリーが相殺される構成になっています。標準模型は、3世代のクォークとレプトンが存在します。小林・益川理論によると、フェルミオンの混合によりCP対称性が破れるためには3世代以上のフェルミオンが必要である。実際に、フェルミオンの混合に起因するCP対称性の破れは実験で確認されており、標準模型による予言と良く一致することが確かめられています。

ヒッグス粒子

標準模型では、ヒッグス機構により電弱対称性が自発的に破れます。一般に場の揺らぎは粒子として解釈されるが、ヒッグス場の4つある揺らぎの自由度のうち3つは、WボソンとZボソンが質量を持つことに伴い、その縦波成分として吸収されます。残りの1自由度は、スピン0のスカラー粒子であるヒッグス粒子としてあらわれます。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ました。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ました。

標準模型の歴史

標準模型は、20世紀後半に数多くの科学者たちの貢献によって徐々に形作られてきました。重要な出来事を以下に示します。

1960年代：クォークの概念の提唱、ワインバーグ＝サラム理論の提唱（電弱相互作用の統一理論）
1970年代：量子色力学（強い相互作用の理論）の発展、標準模型の確立
1980年代：Wボソン、Zボソンの発見による電弱理論の検証
1995年：トップクォークの発見
2012年：ヒッグス粒子の発見

標準模型の未解決問題

標準模型は多くの現象を説明できますが、未解決の問題も残されています。

重力との統合：重力を量子力学的に記述する方法が不明。
暗黒物質、暗黒エネルギーの説明：標準模型には、これらの構成要素となる粒子が含まれていない。
ニュートリノの質量：標準模型ではニュートリノは質量を持たないが、実際には質量を持つことが確認されている。
世代構造の謎: フェルミオンがなぜ3世代存在するのか、その理由が不明。

これらの問題は、標準模型を超える新しい物理の存在を示唆しており、現在も活発な研究が行われています。

標準模型は、素粒子物理学における偉大な成果の一つですが、未だ完全な理論ではありません。今後の研究によって、これらの未解決問題が解き明かされることが期待されています。

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