超対称性理論とは何か 宇宙をつかさどる究極の対称性

小林富雄

この宇宙にはまだ多くの謎が残されています。自然界に存在する4つの力のうち、3つまでは標準理論で説明できますが、4つ目の重力を素粒子物理的に理解することには成功していません。こうした問題を解決し、重力まで含めたすべての力を統一的に理解する可能性を秘めているのが、｢超対称性｣とよばれるまったく新しい対称性です。｢なぜこの宇宙が存在するのか｣という根源的な問いに答える究極の理論に迫ります。

• カテゴリ: ビジネス・実用
• ジャンル: 学術・語学 / 教育
• 出版社: 講談社
• 掲載誌・レーベル: ブルーバックス
• 電子版発売日: 2016年03月25日
• コンテンツ形式: EPUB
• サイズ(目安): 17MB

[ブクログ · ★★★★★]

図らずもヒッグス粒子発見とこれからのその研究の重要性を学べた。素直に良かった。

また、超対称性粒子を検出するための物理学者の努力に敬服した。試行錯誤とはまさにこのことだ。真理を求めて仮説を絞り込んでいくのだなぁ。

暗黒物質やダークエネルギーについても他書にはない記述が多くて嬉しい。

ただし、本書は量子力学と素粒子論を学部レベルで学んでいないとチンプンカンプンかもしれない。

・パウリの排他原理がなぜ成り立っているかいまも分かっていない。
・ヒッグス機構はもともと弱い相互作用のゲージ粒子の質量を説明するために導入され、その後、フェルミオンの質量起源も説明できるようになった。
・電磁力の場合、距離とともにその大きさは減衰するが、強い力は距離にかかわらず一定の値を保つ。したがって、引きはがすために必要なエネルギーはクォークの距離とともに増大し、やがて新たにクォーク、反クォークのペアを真空から作り出すことができるエネルギーになる。
・LEPの実験までに、レプトンとクォークに少なくとも3世代あることは分かっていた。それがLEPの実験で大量に生成されたZ粒子の崩壊過程を詳しく調べることで、レプトンを構成するニュートリノの種類は３つしかないことが分かった。したがって世代も３つしかない。しかし、では「なぜ３世代なのか」という疑問は解消されていない。
・フェルミオンとベクトルボソンはそれぞれカイラル対称性とゲージ対称性に守られて、急激な発散は出てこないが、スカラーボソン（ヒッグス粒子）だけが急激な発散を内蔵している。
・弦理論にはそもそも発散の問題は無い。場の量子論は点状の粒子を扱うから無限大が現れる。
・ニュートラリーノが電気的に中性で弱い相互作用しか働かないので、暗黒物質の有力候補。
・暗黒物質の発見：ニュートン力学に寄れば、中心から離れた星はゆっくり回るはずだが、観測では中心からの距離によらず、銀河上のどの場所もほぼ一定のスピードで回転していた。これを説明するには、通常の物質以外にその約１０倍の「見えない物質」で銀河全体が覆われていればいい。
・アクシオン：強いCP問題。強い相互作用の理論式には本来CP対称性を破る項が含まれているが、実験的には見つかっていない。この解決のために導入されたのがPQ対称性で、CP対称性が回復する。そのとき、南部・ゴールドストーンボソンが現れるが、それがアクシオン。
・ヒッグス粒子は、超対称性への道を開くのか、原子・原子核・核子・クォークと続いてきた物質の階層性をさらにもう一段深めるのか、あるいは宇宙のインフレーションに直結してしまうのか、今その岐路に立っている。

[ブクログ · ★★★★☆]

「ネーターの定理」対称性あるところに保存則あり。

ゲージ粒子は「ゲージ対称性」で守られており、フェルミオンは「カイラル対称性」で守られているが、ヒッグス粒子は標準理論では値が発散してしまうという「階層性問題」がある。これを解決するのが「超対称性」。

電子のスピン:複素2次元空間内の回転
3次元空間での1回転が、複素2次元空間では半回転に相当。スピンの向きを回転して、元の向きまで戻ってくるには、通常の時空で2回転させなければならない。このような「半ベクトル」のことを「スピノル」という。

テンソル:複数のベクトルを組み合わせて作られる
スカラー:どんなローレンツ変換を行った時も絶対に変化しない物理量。例）世界長さ、質量
カイラル:対掌性。左右を区別する弱い相互作用の性質。

SU(n):特殊ユニタリ群。Special Unitary。ユニタリとは大きさが1という意味。括弧内の数字は要素である行列が持つ次元を表す。「特殊」とは、n次元空間上にある一辺の長さが1の仮想的な立方体が、回転後も体積を1に保つような変換を意味する。