素粒子・レプトン・クォーク・中間子・バリオン・ハドロン 量子力学

4つの力

力を統一する理論

素粒子

http://blueox.uoregon.edu/~jimbrau/astr123/notes/chapter27.html

top quarks は1994年に発見された。電磁気と弱い力を統一する標準理論が予言する素粒子が見つかった。
標準理論の根幹となる ヒッグス粒子 が見つかっていない。

ヒッグス粒子 Higgs

電荷0、質量は陽子の150倍以上、460億電子ボルト以上。まだ発見されていない。標準理論の裏付けとなる。標準理論では、ゲージ対称性があると、素粒子の質量は0になってしまう。すべての素粒子は、そもそも質量はないのだが、粒子が動くときに、空間を埋め尽くす Higgs粒子から影響を受け、質量をもっているかのように見えると考える。

超対称性

大統一理論が前提とする。フェルミオンとボソンの入れ替えを許す。スピンの値が 1/2 だけ異なる粒子があるとする。軽いヒッグス粒子を予言する。

ゲージ理論

電弱理論を導き出すときに使った。

力の伝達を量子力学的にとらえる

古典力学では説明できない、量子力学的な事

黒体からの光の放出が、波のように連続したエネルギーであるとすると、観測とあわない。光がとびとびのエネルギー単位であるとするとあう。
定常状態
不確定性原理
真空の力…カシミール効果

ハイゼンベルグの不確定性原理

1927年、ドイツの物理学者ハイゼンベルグによって定式化された。
位置と運動量（質量*速度）、時間とエネルギーという組になった量は同時に正確に決めることができない。というか、もっと強い意味があって、組になった２つの量の積は、プランク定数程度の不確かさが許されると言うこと。
たとえば、非常に短い時間であれば、エネルギー保存則を破ることが許される。すなわち、エネルギー0の状態ではあるが、仮想粒子が生まれてもかまわない。
また、速度がほとんど0とみなされる場合、位置の不確かさが残るわけで、要するに止まっていないで、フラフラしているということ。
すなわち、不確定性原理とは、単に正確に観測できないということを言っているのではなく、量子力学的な粒子は、本質的に、そういう不確かさを持っているという意味がある。

不確定性原理を使って水素原子の大きさを求める

（水素原子の大きさ）=（1つの陽子を回る1つの電子の位置の不確定性）
（電子の結合エネルギー）=13.7v　=>　（電子の運動量の不確定性）　=>　（電子の位置の不確定性）=1000万分の3ミリ

不確定性原理を使って重水素の核の大きさを求める

（重水素の核の大きさ）=（1つの陽子と1つの中性子の位置の不確定性）
（重水素の強い力による結合エネルギー）=200万v　=>　（位置の不確定性）=1000億分の1ミリ

保存則

量子力学でも、エネルギー・運動量・角運動量は保存される。
それぞれの保存則は、時間の一様性・空間の一様性によるものである。

対称性 symmetry

Charge conjugation symmetry

A+B -> C+D の反応率と、その反粒子　A'+B' -> C'+D' の反応率とが同じになる。

対称性の破れ

弱い力が関係する、ゆっくりとした放射性崩壊（ベータ崩壊）では、parityと時間の両方の対称性が破れている。時間での破れは、1998年、FermilabとCERNの実験で確認された。

自発的対称性の破れ spontaneous Symmetry breaking

量子色力学 QCD

クォークに3つの色で表される、性質がある。
赤・緑・青と反赤・反緑・反青
同じ色同士は反発する。
ハドロン

ニュートリノのスピンの問題

相対性理論から、ニュートリノのスピンは、その光の速さで進む方向か、その反対方向があり得る。しかし、観測では、運動方向と反対のスピンしか見つからない。反ニュートリノは運動方向と同じになる。なぜか。ワインのコルク抜きを右利きの人が普通に回せば、コルク抜きはどんどん中に入って行くが、左利きの人が普通に回すと、コルク抜きがもどってきてしまう。それになぞって、ニュートリノのスピンは進行方向と逆なので、「ニュートリノは左利きである」であると表現される。なぜ左利きのニュートリノしかいないのかがわかっていない。

太陽からのニュートリノの問題

太陽からのニュートリノの数が理論の半分程度である。電子ニュートリノがミューニュトリノとタウニュートリノに変化するためらしい。その変化がなぜ起きるのかはわかっていない。

ニュートリノの質量の問題

標準理論では、ニュートリノの質量は0を仮定されている。0でないかもしれない。

超弦理論 Super String

4つの力を統一しようとする開発途上の理論。
10次元の世界に存在する弦（ひも）が、基本粒子であるとする。
Theory of everything とも言われる。
カルツァ=クライン理論 超対称性（フェルミオンとボソンの入れ替えを許す）