はじめに
まだだ…！ まだ 12/4 は終わってない…！！28時くらいまで…
この記事は物理学アドベントカレンダー 2014の4日目です。
昨日は俺でした。
明日は @tanaka_733 先生の「寒剤(液体窒素、液体ヘリウム)について」です。*1
あ、記事中、人名がたくさん出てきますが、敬称は省略させて頂いております。ご了承ください。
レプトン
昨日はクォークの紹介をしました。今日はクォークと対をなす素粒子、レプトンです。ギリシャ語で「軽い」という意味があるらしいです。
クォークは全部で6種類あり、2種類ずつ3世代ありましたね。
レプトンも同じです。
| 第一世代 | 第二世代 | 第三世代 |
|---|---|---|
| 電子 (e-) | ミュー粒子 (μ) | タウ粒子 (τ) |
| 電子ニュートリノ (νe) | ミューニュートリノ (νμ) | タウニュートリノ (ντ) |
昨日ちらっと出てきた電子も、レプトンの一種です。
クォークとレプトンを合わせて「フェルミ粒子 (フェルミオン)」と言います。
レプトンの歴史
こちらも歴史をざっとおさらいしてみましょう。
- 1897年
- イギリスの物理学者、J・J・トムソンが、電子が電気を帯びた粒子であることを発見
- 1906年
- J・J・トムソンがノーベル物理学賞を受賞
- 1930年
- スイスの物理学者ウォルフガング・パウリがニュートリノの存在を予言
- 1936年
- アメリカの物理学者カール・アンダーソンとセス・ネッダーマイヤーが宇宙線の中にミュー粒子を発見
- 電子と併せて「レプトン」という概念が確立される
- 1940年代
- ミューニュートリノの存在が提唱される
- 1956年
- アメリカの物理学者フレデリック・ライネスとクライド・カワンが電子ニュートリノを発見
- 1962年
- アメリカの物理学者レオン・レーダーマンらがミューニュートリノを発見
- 日本の物理学者坂田昌一、牧二郎、中川昌美によってニュートリノ振動の理論が発表される。
- 1975年
- アメリカの物理学者マーティン・パールがタウ粒子を発見
- タウニュートリノの存在が預言される
- 1995年
- ライネスとパールがノーベル物理学賞を受賞
- 1998年
- 日本のスーパーカミオカンデがニュートリノ振動を実証
- 2000年
- アメリカのフェルミ研究所で行われたDONUTプロジェクトでタウニュートリノが発見される
- 2004年
- 日本のT2K実験が、ニュートリノに質量があることを確認
すごいですねー。
何がすごいって、クォークの歴史は50年くらいでしたが、こちらは100年の歴史があること。
最後の粒子は2000年代に発見されているんですね。
レプトンの電荷
クォークの電荷は +2/3 とか -1/3 とか妙な数字になっていましたが、レプトンの電荷はシンプルです。
ミュー粒子とタウ粒子は電子の仲間なので -1 の電荷を持ちます。ニュートリノは電荷を持ちません。
電荷を持たないニュートリノ
電荷を持たないということは、電気に反応しないということ。これは、すごく観測しづらいということでもあります。
そのためスーパーカミオカンデなんかは、膨大な水を用意して、ニュートリノが反応するのを待ち構えているんですね。*2
しかし、ニュートリノ自体はありふれた粒子です。
実は1秒間に1平方センチメートルの範囲を太陽から放出された660億個ものニュートリノが通り抜けています。つまり、そうですね・・１！今わたしの人差し指の爪を660億個のニュートリノが通り過ぎました！
— 物理ちゃんbot (@irutu_b) 2014, 12月 3
例えば、我々の手が机を通り抜けてしまわないのは何故でしょうか？ 足が地面に沈んでしまわないのは何故でしょうか？
手も机も原子で出来ています。原子の周りには電子があります。
手と机が接している時、これらの電子同士が反発しているから、手と机は混ざってしまわないんです。
ニュートリノの質量
現在、素粒子論は標準模型という理論が主流です。
2012年にヒッグス粒子が発見されたときは大きな話題になりました。ヒッグス粒子は、標準理論が存在を予言しつつも、実験によって発見されていなかった、最後の素粒子でした。
ヒッグス粒子の発見をもって、標準理論は完成を見たといって良いでしょう。
しかし、標準理論は非常にうまくできた（実験結果をうまく説明できる）理論ですが、完璧な理論ではありません。
標準理論を超える理論はいくつも提唱され、精力的に研究が進んでいます。
標準理論をはみ出す現象の一つが、ニュートリノの質量です。
標準理論は、ニュートリノの質量がゼロであると予言します。
しかしニュートリノには、飛んでいる間にその種類が変わってしまうニュートリノ振動という現象が起きます。
ニュートリノ振動は、ニュートリノに（ゼロでない）質量がないと起きない現象らしいのです。
しかし、質量はゼロではないということはわかっても、具体的にどのくらいなのかはわかっていません。
ただ、ものすごく小さいということはわかっています。それも観測がしづらい要因の一つです。
ニュートリノの質量に関しては、もう一つの問題があります。
前回、クォークには6種類あると言いました。レプトンにも6種類あり、併せて計12種類のフェルミオンがあります。
そして、例えば、アップクォークの質量はいくつ、電子の質量はいくつ…というように、粒子の種類ごとに質量ははっきりしています。――ニュートリノを除いては。
ニュートリノに関しては、電子ニュートリノの質量がいくつ、ミューニュートリノの質量がいくつ…ということは、言えないかもしれません。これは、小さすぎて精度のいい観測が難しいからという以前の、理論的な話です。
素粒子のようなミクロの領域の物理は、量子力学というわけのわからない理論で記述されます。
量子力学の根幹をなす重要な理論の一つに、不確定性原理というのがあります。
簡単に言うと、不確定性原理とは、互いに関連する2つの値を精度よく調べることはできず、必ずある程度の誤差を含むこと、しかも、2つの値の一方の精度を上げると、もう一方の精度が下がってしまうという関係のことです。
これは、観測装置や技術の限界から来るものではなく、量子力学の本質的な性質です。
つまり、たとえ神様であったとしても、不確定性関係にある2つの値の両方をはっきりと知ることはできないのです。
そして、ニュートリノの種類と質量というのも、不確定性関係にあります。
ある粒子が「電子ニュートリノだ」とわかるということは、種類が誤差なく判定できたということです。この時、質量の値は、ぼやけてしまってわからなくなってしまいます。*3
逆に、質量の値がはっきりと計測できたとすると、今度は種類がわからなくなってしまう。
繰り返しますが、これは人間の観測技術が未熟であるからではなくて、ニュートリノが本質的にそういう性質を持っているからなのです。
