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  1. 弱い相互作用 - Wikipedia

    ja.wikipedia.org/wiki/弱い相互作用

    素粒子物理学において、弱い相互作用(よわいそうごさよう、弱い力や弱い核力とも呼ばれる)は、原子の放射性崩壊の原因となる亜原子粒子間の相互作用のメカニズムである。核分裂において重要な役割を果たしており、その振る舞いと効果の両方の観点から見る理論は量子フレーバーダイナミクス(QFD)と呼ばれることがあるが、電弱理論(EWT)の観点からより良く理解 ...

    • 背景
    • 歴史
    • 特性
    • 相互作用の種類
    • 電弱理論
    • 対称性の破れ
    • 参考文献
    • 関連項目
    • 外部リンク

    素粒子物理学の標準模型は、電磁相互作用、弱い相互作用、強い相互作用を理解するための統一された枠組みを与える。2つの粒子(半整数スピンフェルミオンであることが一般的だが、必ずしもそうとは限らない)が整数スピンで力を運ぶボソンを交換すると相互作用が生じる。このような交換に関わるフェルミオンは素粒子(例えば電子やクォーク)や複合粒子(例えば陽子や中性子)のいずれかであるが、最も深いレベルでは全ての弱い相互作用は究極的には素粒子間の相互作用である。 弱い相互作用の場合、フェルミオンはW+, W−, Zボソンとして知られる3つの異なる種類のフォースキャリアを交換できる。これらの各ボソンの質量は、陽子や中性子の質量よりもはるかに大きく、これは弱い力の影響範囲が短いことと整合している。与えられた距離における場の強度が通常、強い核力や電磁力の場の強度よりも数桁小さいため、「弱い」力と呼ばれる。 中性子や陽子などの複合粒子を構成するクォークは、アップ、ダウン、ストレンジ、チャーム、トップ、ボトムの6つの「フレーバー」からなり、複合粒子に特性を与える。弱い相互作用はクォークが他のクォークとフレーバーを交換できるという点で特有である。これらの特性の交換はフォースキャリアボソンにより媒介される。例えば、β−崩壊中に中性子内のダウンクォークはアップクォークに変化し、これにより中性子が陽子に変わり電子と電子反ニュートリノが放出される。 弱い相互作用はパリティ対称性を破る唯一の基本相互作用であり、同様に電荷パリティ対称性を破る唯一の相互作用である。 弱い相互作用を伴う現象の他の重要な例としては、ベータ崩壊および太陽の熱核過程の動力となる水素のヘリウムへの核融合がある。ほとんどのフェルミ粒子は時間の経過とともに弱い相互作用により崩壊する。炭素14は弱い相互作用により窒素14へと崩壊するため放射性炭素年代測定が可能となる。また、これによりトリチウム照明およびベータボルタイクスの関連分野で一般的に使われる放射線ルミネセンスも生成することができる。 初期宇宙のクォーク時代に、電弱力が電磁力と弱い力に分かれた。

    1933年、エンリコ・フェルミはフェルミ相互作用として知られる弱い相互作用の最初の理論を提唱した。彼はベータ崩壊が距離の離れていない接触力を伴う4つのフェルミオンの相互作用により説明できると提唱した。 しかし、これは非常に短いが有限の範囲を持つ非接触力場としてより良く説明される[要出典]。1968年、シェルドン・グラショー、アブドゥッサラーム、スティーヴン・ワインバーグは電磁力と弱い相互作用を、これらが現在電弱力と呼ばれる1つの力の2つの側面であることを示すことで統一した。 WボソンとZボソンの存在は、1983年まで直接確認されなかった。

    弱い相互作用は、多くの点で特有である。 1. クォークのフレーバーを変更できる(つまりある種類のクォークから別の種類のクォークに変わる)唯一の相互作用である。 2. Pすなわちパリティ対称性を破る唯一の相互作用である。また、電荷パリティCP対称性を破る唯一の相互作用である。 3. ヒッグス機構により標準模型で説明される異常な特徴である、大きな質量を持つフォースキャリア粒子により媒介(伝播)される。 質量が大きいため(約90 GeV/c2)、WボソンやZボソンと呼ばれるこれらのキャリア粒子は短命であり、寿命は10−24 秒未満である。弱い相互作用は10−7と10−6の間の結合定数(相互作用の強さの指標)を持ち、強い相互作用の結合定数1および電磁結合定数約10−2と比較すると、結果として弱い相互作用は強度の点で弱い。弱い相互作用が有効な範囲は非常に短い(約10−17~10−16 m)。10−18mくらいの距離では弱い相互作用は電磁力と同じくらいの強さを持つが、距離が長くなるにつれて指数関数的に減少し始める。たった1.5桁だけスケールアップしたおよそ3×10−17 mの距離で弱い相互作用は10,000倍弱くなる。 弱い相互作用は標準模型の全てのフェルミ粒子とヒッグスボソンに作用する。ニュートリノは重力と弱い相互作用のみを介して相互作用し、ニュートリノは「弱い力」の名前の元々の由来であった。弱い相互作用は、重力が天文学的スケールで行ったり、電磁力が原子レベルで行ったり、強い核力が原子核の内部で行ったりすること、つまり束縛状態を作り出したり、結合エネルギーに関与するといったことはしない。 この最も顕著な効果は、最初の特有な特徴であるフレーバーの変化によるものである。例えば、中性子は陽子よりも重いが、中性子は2つのダウンクォークの1つのフレーバーをアップクォークに変えないと陽子に崩壊することはできない。強い相互作用も電磁気学もフレーバーの変化を許さないため、これは弱い崩壊により進む。弱い減衰がなければストレンジネスやチャーム(同じ名前のクォークと関連する)などのクォークの性質も、全ての相互作用にわたり保存される。 全ての中間子は弱い減衰により不安定である。ベータ崩壊として知られる過程において、中性子のダウンクォークは仮想のW-中間子を放出することでアップクォークに変化し、...

    弱い相互作用には2つのタイプがある(頂点と呼ばれる)。1番目は電荷を運ぶ粒子により媒介されるため"荷電カレント相互作用"と呼ばれ(W+やW-ボソンなど)、ベータ崩壊現象の原因である。2番目は中性粒子であるZボソンにより媒介されるため"中性カレント相互作用"と呼ばれる。

    素粒子物理学の標準模型は、電磁相互作用と弱い相互作用を単一の電弱相互作用の2つの異なる面として説明する。この理論は1968年ごろにシェルドン・グラショー、アブドゥッサラーム、スティーヴン・ワインバーグにより発展され、3人は1979年にノーベル物理学賞を受賞した。ヒッグス機構は、3つの質量のあるゲージボソン(W+, W-, Z, 3つの弱い相互作用のキャリア)質量のない光子(γ, 電磁相互作用のキャリア)の存在を説明する。 電弱理論によると、非常に高いエネルギーにおいて宇宙にはヒッグス場の4つの成分があり、その相互作用は光子に似た4つの質量のないゲージボソンにより運ばれ、複素スカラーヒッグス場ダブレットを形成する。しかし、低いエネルギーでは、ヒッグス場の1つが真空期待値を獲得するため、このゲージ対称性は自発的に電磁気のU(1)対称性に破れる。この対称性の破れは3つの質量のないボソンを生成すると予想されるが、代わりに他の3つの場により統一され、ヒッグス機構を介して質量を獲得する。これらの3つのボソンの統合により、弱い相互作用のW+, W-, Zボソンが生成される。4番目のゲージボソンは電磁気の光子であり、質量がないままである。 この理論は、発見前にZボソンとWボソンの質量を予測するなど多くの予測を行ってきた。2012年7月4日、大型ハドロン衝突型加速器のCMSとATLASの実験チームは独立に、質量125–127 GeV/c2のこれまで未知のボソンを公式に発見したことを確認したことを発表した。このボソンのそれまでの振る舞いはヒッグス粒子と「一致」していたが、新しいボソンが何らかのタイプのヒッグス粒子であることを積極的に特定する前にさらにデータと分析が必要であるという注意を加えた。2013年3月14日までにヒッグス粒子が存在することが暫定的に確認された。 電弱対称性の破れスケールが下がった場合、破れていないSU(2)相互作用は最終的に閉じ込められる。SU(2)がそのスケールを超えて閉じ込められる代わりのモデルは、低エネルギーでは標準模型と定量的に類似しているが、対称性の破れを超えると劇的に異なる。

    自然の法則は鏡の反射の下では同じままであると長らく考えられていた。鏡を通して見た実験結果は、実験装置の鏡で反射した写しの結果と同一であると予想された。このいわゆるパリティ保存則は、古典的な重力、電磁気学、強い相互作用においては守られることが知られており、普遍的な法則であると仮定されていた。しかし、1950年代半ば楊振寧と李政道は弱い相互作用がこの法則に反する可能性があることを提案した。呉健雄と共同研究者が1957年に弱い相互作用がパリティに反することを発見し、楊と李の1957年ノーベル物理学賞受賞をもたらした。 かつてはフェルミの理論で弱い相互作用が説明されていたが、パリティ破れと繰り込み理論の発見により、新たなアプローチが必要であることが示唆された。1957年、ロバート・マーシャクとジョージ・スダルシャン、そして少し遅れてリチャード・ファインマンとマレー・ゲルマンが弱い相互作用のためにV−A(ベクトルマイナス軸性ベクトルもしくは左巻き)ラグランジアンを提案した。この理論では、弱い相互作用は左巻きの粒子(および右巻きの反粒子)にのみ作用する。左巻きの粒子を鏡で反射したものは右巻きであるため、これがパリティの最大破れを説明する。V−A理論はZボソンが発見される前に開発されたため、中性カレントの相互作用に加わる右巻きの場は含まれていなかった。 しかし、この理論により複合的な対称性CPを保存することができた。CPはパリティP(左から右への切り替え)と荷電共役C(粒子と反粒子の切り替え)の組み合わせである。1964年にジェイムズ・クローニンとヴァル・フィッチがK中間子崩壊ではCP対称性も破れるという明確な証拠を示し、物理学者を再び驚かせた。2人は1980年にノーベル物理学賞を受賞している。1973年、小林誠と益川敏英が弱い相互作用のCP破れには2世代より多くの粒子が必要であることを示し、事実上当時未知であった第3世代の存在を予測した。この発見により2008年のノーベル物理学賞の半分を獲得した。 パリティ破れとは異なり、CP破れは限られた状況でのみ発生する。その珍しさにもかかわらず、宇宙に反物質よりも物質がはるかに多く存在する理由と広く信じられており、それによりバリオン生成(英語版)のアンドレイ・サハロフの3つの条件の1つを構成している。

    一般向け

    1. R. Oerter (2006). The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics. Plume. ISBN978-0-13-236678-6 2. B.A. Schumm (2004). Deep Down Things: The Breathtaking Beauty of Particle Physics. Johns Hopkins University Press. ISBN 0-8018-7971-X. https://archive.org/details/deepdownthingsbr00schu

    テキスト

    1. Walter Greiner; B. Müller (2000). Gauge Theory of Weak Interactions. Springer. ISBN3-540-67672-4 2. G.D. Coughlan; J.E. Dodd; B.M. Gripaios (2006). The Ideas of Particle Physics: An Introduction for Scientists (3rd ed.). Cambridge University Press. ISBN978-0-521-67775-2 3. W.N. Cottingham; D.A. Greenwood (2001) [1986]. An introduction to nuclear physics (2nd ed.). Cambridge University Press. p. 30. ISBN 978-0-521-65733-4. https://books.google.com/books?id=0VIpJPn-qWoC&pg=PA30 4. D.J. Griff...

    Harry Cheung, The Weak Force @Fermilab
    Fundamental Forces @Hyperphysics, Georgia State University.
    Brian Koberlein, What is the weak force?
  2. 電弱相互作用 - Wikipedia

    ja.wikipedia.org/wiki/電弱相互作用

    電弱相互作用(でんじゃくそうごさよう、英: electroweak interaction )とは、物理学において、電磁気力と弱い相互作用を統一した相互作用である。この理論を電弱統一理論という。質量のない粒子に質量を与えるため、ヒッグス機構が考案された。

  3. クォーク - Wikipedia

    ja.wikipedia.org/wiki/反クォーク

    弱い相互作用 電磁相互作用 重力相互作用: 反粒子: 反クォーク (q) 記号: q: 崩壊粒子: 安定: 電荷 + 2 ⁄ 3 e, − 1 ⁄ 3 e: 色荷: 持つ: スピン: 1 ⁄ 2: バリオン数: 1 ⁄ 3: テンプレートを表示

  4. 弱い相互作用 - Wikiwand

    origin-production.wikiwand.com/ja/弱い相互作用

    素粒子物理学において、弱い相互作用(よわいそうごさよう、弱い力や弱い核力とも呼ばれる)は、原子の放射性崩壊の原因となる亜原子粒子間の相互作用のメカニズムである。核分裂において重要な役割を果たしており、その振る舞いと効果の両方の観点から見る理論は量子フレーバー ...

  5. 弱アイソスピン - Wikipedia

    ja.wikipedia.org/wiki/弱アイソスピン

    弱アイソスピン (じゃくあいそすぴん、 weak isospin) は、 弱い相互作用 が働く 素粒子 のみが持つ 量子数 である。 弱アイソスピンの量は 弱い力 との相互作用のしやすさ( 荷量 )でもあるため、 弱荷 とも呼ばれる。�

  6. ウィークボソン - Wikipedia

    ja.m.wikipedia.org/wiki/ウィークボソン

    ウィークボソン (weak boson) は素粒子物理学において、弱い相互作用を媒介する素粒子である。 弱ボソンとも言う。ウィークボソンはスピン1のベクトル ボソンで、WボソンとZボソンの二種類が存在する。

  7. フェルミ相互作用とは - goo Wikipedia (ウィキペディア)

    wpedia.goo.ne.jp/wiki/フェルミ相互作用
    • 論文出版までの経緯
    • 相互作用の性質
    • 理論の詳細
    • フェルミ結合定数

    1930年、ヴォルフガング・パウリはベータ崩壊に関わる中性粒子(後のニュートリノ)の存在を提唱した。これを受けて、エンリコ・フェルミはベータ崩壊を4種類の粒子が1点で相互作用する過程とする理論を構築した。 最初、フェルミはこの理論について述べた論文をイギリスの有名な学術雑誌Natureに投稿したが、「推測的過ぎる」という理由により掲載拒否された。後に、Natureはこの審査について、創刊以来の大きな編集ミスの一つであると認めている。 その後、フェルミは同じ内容の論文をイタリアの学術雑誌Nuovo Cimentoとドイツの学術雑誌Zeitschrift für Physikへ投稿し、1934年にそれぞれイタリア語・ドイツ語の論文が出版された。英文による出版はしばらく遅れ、結局、Natureが1939年1月16日にフェルミのレポートを英語で出版した。

    電弱理論との関係

    フェルミの理論は、ワインバーグ=サラム理論を近似的に表した有効場の理論であり、弱い相互作用の性質を記述することによく成功している。この理論は、ベータ崩壊のような低エネルギー領域の物理現象を再現するには有効であるが、高エネルギー領域の現象に対しては破綻している。例えば、フェルミの理論によって計算される散乱断面積は散乱粒子のエネルギーの2乗に比例する。しかし、実際の散乱断面積には上限があるため、ある程度高いエネルギーを超えると理論値が上限を突破してしまう。これは、高エネルギー領域(粒子が高い運動量を運ぶ現象)においては、本来は媒介粒子として存在しているはずのWボソンが理論に組み込まれていないことによる齟齬が顕わに見えてくるためである。つまり、フェルミの導入した点状相互作用は、Wボソンの質量より十分に小さいエネルギー領域における現象を記述するには妥当な近似となっているが、Wボソンの質量程度(~100GeV)の高エネルギー領域では不適切な結果を与えてしまう。

    テンソル構造の決定

    フェルミによる本来の理論では、2つのベクトルカレントが接触して結合する相互作用を仮定していた。この仮定では、粒子の持つパリティは常に保存している。その後、1956年に李政道と楊振寧はK中間子の崩壊についての研究から、弱い相互作用ではパリティ対称性の破れが起きていることを予想した。パリティ対称性の破れは、1957年に呉健雄らによって行われた偏極したコバルト60原子核のベータ崩壊を測定する実験で初めて確認された。これにより、弱い相互作用による現象においてパリティが常に保存するフェルミの理論には、パリティ対称性を破るような修正が必要であることが分かった。 さらに、中性子のベータ崩壊にはフェルミ遷移(放出される電子とニュートリノのスピンが反平行)とガモフ=テラー遷移(放出される電子とニュートリノのスピンが平行)という2種類の遷移が知られており、ベータ崩壊についての理論は2種類両方の遷移を正しく記述できなければならない。フェルミの理論ではベクトルカレントのみの相互作用が考えられており、この方法ではフェルミ遷移しか記述できなかった。 フェルミによる本来の理論だけでは、ガモフ=テラー遷移やパリ...

    保存するベクトルカレント

    フェルミ相互作用は核子のベータ崩壊やミュー粒子の崩壊のような弱い相互作用に関する現象について記述する。 このとき、弱い相互作用によって引き起こされる全ての過程において、(弱い相互作用の)ベクトルカレント相互作用の強さ(結合定数)はほとんど等しくなる。この仮説はGershteinとZeldovich、及び、ファインマンとゲルマンによって提案され、保存するベクトルカレント仮説(CVC仮説)として知られている。 一方、軸性ベクトルカレントの相互作用は強い相互作用の影響を受けるため、核子やパイ中間子のようなハドロンの軸性ベクトルカレントと電子やミュー粒子のようなレプトンの軸性ベクトルカレントの結合定数は幾らか異なっている。これは、部分的に保存する軸性ベクトルカレント(PCAC)として知られている。

    ベクトルカレント相互作用

    フェルミはベータ崩壊を2つのカレントの相互作用として表すことを考えた。ここでの2つのカレントは、中性子と陽子の反応、及びニュートリノと電子の反応を意味するが、電磁相互作用との類推によって、以下のようなベクトル型のハドロンカレント密度Vμとレプトンカレント密度lμが採用された。 1. V μ c † ( x ) = ψ ¯ p ( x ) γ μ ψ n ( x ) {\\displaystyle V_{\\mu }^{c\\dagger }(x)={\\bar {\\psi }}_{p}(x)\\gamma _{\\mu }\\psi _{n}(x)} 2. l μ c † ( x ) = ψ ¯ e ( x ) γ μ ψ ν ( x ) {\\displaystyle l_{\\mu }^{c\\dagger }(x)={\\bar {\\psi }}_{e}(x)\\gamma _{\\mu }\\psi _{\ u }(x)} ここで、添え字cはカレントが粒子の電荷を変える(つまり、荷電カレントである)ことを意味し、ψp 、ψn 、ψe 、ψνはそれぞれ陽子、中性子、電子、ニュートリノの波動関数、γμは...

    V-A相互作用

    本来のフェルミの理論においては、ベクトル型の相互作用のみが考えられていたが、弱い相互作用におけるパリティ対称性の破れなどの実験事実から、弱い相互作用の正しい記述にはベクトルカレントと軸性ベクトルカレントの両方が考慮されていなければならない。中性子のベータ崩壊について、ベクトルカレントと軸性ベクトルカレントの両方を含むハドロンカレント密度、レプトンカレント密度の(係数を無視した)表記は以下のようになる。 1. V μ c † ( x ) = ψ ¯ p ( x ) γ μ ( 1 − γ 5 ) ψ n ( x ) {\\displaystyle V_{\\mu }^{c\\dagger }(x)={\\bar {\\psi }}_{p}(x)\\gamma _{\\mu }(1-\\gamma _{5})\\psi _{n}(x)} 2. l μ c † ( x ) = ψ ¯ e ( x ) γ μ ( 1 − γ 5 ) ψ ν ( x ) {\\displaystyle l_{\\mu }^{c\\dagger }(x)={\\bar {\\psi }}_{e}(x)\\gamma _{\\mu }(1-...

    フェルミ結合定数(Fermi coupling constant)とは、フェルミ相互作用の強さを表現する結合定数である。弱い相互作用の強さを表す代表的な量である。記号は通常 GFが用いられる。 フェルミ結合定数の値は である。フェルミ結合定数の値を決定する最も正確な方法は、実験によってミュー粒子の質量と平均寿命を測定することである。ミュー粒子の平均寿命 τμ は GF とミュー粒子の質量 mμを用いて と表される。 標準模型(ワインバーグ=サラム理論)によれば、フェルミ結合定数はいくつかのパラメータを用いて と表される。ここで、g は弱い相互作用のゲージ結合定数で、mW はWボソンの質量である。さらに、Wボソンの質量 mW はヒッグス場の真空期待値 v を用いて mW=gv/2と表されるので としてヒッグス場の真空期待値 vが計算される。

  8. 強い相互作用 - Wikipedia

    ja.wikipedia.org/wiki/強い相互作用

    原子核物理学および素粒子物理学において、強い相互作用(つよいそうごさよう、strong interaction)または強い力は、強い核力の原因となるメカニズムであり、4つの既知の基本相互作用の1つである。10−15 m の範囲では、強い力は電磁気の約137倍、弱い相互作用の100万倍、重力の1038倍である。強い核力は、クォークを陽子や中性子などのハドロン粒子に閉じ込めるため ...

  9. 相互作用 - Wikipedia

    ja.m.wikipedia.org/wiki/相互作用

    相互作用(そうごさよう)、交互作用(こうごさよう)、相互交流(そうごこうりゅう)、相互行為(そうごこうい)、またはインタラクションとは、英: interaction 、 独: Interaktion 等にあてられた翻訳語・外来語であり、意味の核は「二つ以上のものが互いに影響を及ぼしあうこと」。