ゲージ粒子

ゲージ粒子とは

ゲージ粒子とは、素粒子物理学において、ゲージ相互作用を媒介するボース粒子の総称です。素粒子間の相互作用は、ゲージ粒子の交換によって生じます。標準模型においては、電磁相互作用を媒介する光子、弱い相互作用を伝えるウィークボソン、強い相互作用を伝えるグルーオンの3種類が存在します。また、重力相互作用を媒介する重力子もゲージ粒子の一種と考えられています。

ゲージ粒子の概念

相互作用を媒介する粒子の概念は、アインシュタインの光量子仮説に端を発します。光量子仮説では、電磁場は光子によって生成され、その場が他の粒子に力を及ぼすとされます。湯川秀樹は、電磁相互作用と同様に、他の相互作用もボース粒子が媒介していると考えました。

湯川の理論では、力の及ぶ範囲は媒介粒子の質量に依存します。しかし、ゲージ対称性からは、ゲージ場は質量項を持つことができません。この問題を解決したのが、ピーター・ヒッグスによるヒッグス機構です。ヒッグス機構は、南部陽一郎の自発的対称性の破れの考えを応用し、粒子が質量を獲得するメカニズムを解明しました。これにより、力の場を記述するゲージ理論の基礎が確立されました。

標準模型におけるゲージ粒子

標準模型には、以下の3種類のゲージ粒子が存在します。

光子：電磁相互作用を媒介
Wボソン、Zボソン：弱い相互作用を媒介
* グルーオン：強い相互作用を媒介

これらのゲージ[粒子]]は、標準模型における3つの基本的な力に対応しています。量子色力学]の閉じ込め効果により、低エネルギーでは[[グルーオンは単独では存在できず、グルーボールとして観測されます。

ゲージ粒子の多様性

[場の量子論]]においては、ゲージ粒子はゲージ場の量子です。ゲージ粒子の数は、ゲージ場の生成子の数と一致します。例えば、ゲージ群がU(1)である量子電磁力学]には1つのゲージ[粒子（光子）が存在し、ゲージ群がSU(3)である量子色力学]には8つの[[グルーオンに対応する8つの生成子が存在します。WボソンとZボソンは、ワインバーグ＝サラム理論におけるSU(2)の3つの生成子に対応します。

質量のあるゲージ粒子

ゲージ不変性を考慮すると、ゲージ粒子は本来質量を持たないはずです。しかし、弱い相互作用は短距離力であり、媒介粒子であるWボソンとZボソンは質量を持つ必要があります。この矛盾を解決するのがヒッグス機構です。

ヒッグス機構によれば、WボソンとZボソンはヒッグス場との相互作用を通じて質量を獲得します。ヒッグス場は、自発的対称性の破れによってゼロでない真空期待値を持ちます。この真空期待値が、WボソンとZボソンに質量を与えるのです。一方、光子はヒッグス場と相互作用しないため、質量を持たないままです。

標準模型を超えて

標準模型を超える理論では、新たなゲージ粒子の存在が提唱されています。

統一理論

統一場理論では、XボソンやYボソンと呼ばれるゲージ粒子が登場します。これらの粒子は、クォークとレプトンの相互作用、バリオン数保存則の破れ、陽子の崩壊を引き起こすとされます。X,Yボソンは非常に重い質量を持つと考えられていますが、未だ観測されていません。

重力子

重力相互作用を媒介する重力子も、ゲージ粒子の一種として考えられています。しかし、重力は他の力に比べて非常に弱く、量子論的な領域での観測が困難です。弦理論は重力の量子化に成功していますが、実験的な検証は進んでいません。

W', Z'ボソン

W',Z'ボソンは、標準模型のW,Zボソンに類似した性質を持つ、仮説上の新しいゲージ粒子です。高次元模型やテクニカラー模型などの理論に現れます。これらの粒子が存在する場合、電弱対称性を破る散乱や崩壊過程において、標準模型の予測と矛盾が生じる可能性があります。そのため、W',Z'ボソンを含む模型の構築には、観測との整合性を考慮した厳密な制限が課されます。

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