素粒子と宇宙

素粒子と宇宙とは

世界は、十数種類の粒と、4つの力でできている。

素粒子物理学は、物質をこれ以上分けられないところまで分け、その粒と、粒どうしにはたらく力を調べます。宇宙論は、宇宙全体がどう始まり、どう育ち、どこへ向かうのかを調べます。

一見正反対の二つは、宇宙の始まりで出会います。生まれたばかりの宇宙は、とても小さく熱い、素粒子のスープだったからです。宇宙の歴史を知るには素粒子を、素粒子の性質を確かめるには宇宙を見る必要があります。

基本の考え方

身のまわりの素粒子と宇宙

• 体をつくる原子は、星の中でつくられた ― 水素はビッグバンで、炭素や酸素は星の中で、金のような重い元素は星の爆発や衝突で生まれた。私たちは文字どおり星くずでできている。
• いまも体をすり抜けているニュートリノ ― 太陽から届くニュートリノが、毎秒何百兆個も体を通り抜けている。ほとんど何とも反応しないので、気づくことはない。
• 病院のPET検査 ― 反物質である陽電子を使って、体の中を画像にしている。
• 昔のテレビの砂嵐 ― その一部は、138億年前の宇宙の名残（宇宙背景放射）だった。

流れ

1. 1897電子の発見原子より小さい粒が見つかる。
2. 1911原子核の発見原子の中心に、小さく重い核がある。
3. 1932陽電子と中性子反物質が、本当にあった。
4. 1964・1965クォーク模型とヒッグス機構、宇宙背景放射物質の内側と、宇宙の始まりの光。
5. 1970年代標準模型の完成素粒子と3つの力を、一つの枠組みに。
6. 1998ニュートリノの質量と、宇宙の加速膨張日本のスーパーカミオカンデが、ニュートリノに質量があることを示す。同じ年、宇宙の膨張が加速していることも分かる。
7. 2012ヒッグス粒子の発見質量の起源が、実験で確かめられる。

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限界と、次の物理へ

標準模型は、これまでの実験をほぼすべて説明してきた、とても成功した理論です。それでも、地図にはまだ白い部分が大きく残っています。

• 重力が入っていない ― 標準模型は4つの力のうち3つしか含まない。重力をどう量子の言葉で書くかは、まだ分かっていない（相対性理論のノート）。
• 宇宙の95%が分からない ― ダークマターとダークエネルギーの正体は、どちらも不明のまま。
• なぜ物質だけが残ったのか ― 宇宙の始まりには物質と反物質が同じだけできたはずなのに、いまの宇宙には物質しかない。
• なぜこの種類と数なのか ― 素粒子の種類や質量、力の強さが、なぜこの値なのかは説明できていない。

自分の問いとのつながり

対称性があるから世界は美しく、対称性が破れたから私たちはここにいる。

素粒子の世界でも、力の正体は対称性でした。電磁気力・強い力・弱い力は、それぞれの対称性を保つために必要な「つなぎ」として現れる。力学のネーターの定理、電磁気学のゲージ対称性と、同じ考え方が最小の世界まで貫いています。

けれど、完全な対称性のままだったら、素粒子はすべて質量を持たず、原子も星も生まれなかった。宇宙が冷える途中で対称性が自発的に「破れ」、質量が生まれた。物質と反物質のわずかな非対称がなければ、両方が打ち消し合って、何も残らなかった。私たちが存在できるのは、対称性がほんの少し破れていたから。「対称性はなぜあるのか」という問いは、「なぜ完全ではなかったのか」という問いと対になっていました。

そして、17種類ほどの素粒子と4つの力から、星も、生きものも、脳も、この思考も生まれてきた。少ない要素から、複雑が生まれるという仮説の、いちばん根っこにあたる場所です。体をつくる原子が星から来たのなら、宇宙と自分を分けないという見方も、比喩ではなく事実の側にあります。

対称性は、なぜ存在するんだろう。→　なぜ世界は釣り合っているのか →

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