【わかるまで素粒子論「入門編」 序】

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素粒子論を始めるに当たって、まず「素粒子」とは何かについて話しておかねばならないだろう。
素粒子」とは、物質を構成する最小の単位のことである。
何を当たり前な、と思う人がいっぱいいるであろう。では、みなさんに問う。

物質を構成する最小単位とは何か?

分子? 原子? それとも原子核電子

このくらいは、高校で物理ないしは化学を習った人なら言えるだろう。そして、もう一歩進んで、

陽子中性子・電子が素粒子である。」

と言えれば、これは立派なものである。高校教育では、それ以上のことは教えてくれないのだから。

きっと、『陽子と中性子が結合した原子核の周囲を電子が回っているもの』が原子であり、陽子の数を原子番号と呼び、元素の違いを区別する、ということも思い出すだろう。
さらに、物理・化学に興味のあった人で、陽子の数は同じだが、中性子の数が異なる元素を同位元素と呼ぶ、ということまで知っていれば、高校生としては完璧である。
通常は、電子と陽子の数は等しく、原子としては電気的に中性になる。だから私たちは、この世界で安心して暮らしていられる。(そうでなければ、顎からつま先へ雷が落ちるようなことを心配しなければならない。)

多少、新聞のサイエンスコラムなどを好んで読んでいる人は、ニュートリノという素粒子があるではないか、と言うかも知れない。素晴らしい、トレビアンである。

高校物理において(多分、理系の人なら)、ベータ崩壊というのを習うのである。(ゆとり教育とやらで、最近のことはよく知らないが、私が高校生の時はそうだった。)だから、ベータ崩壊とは、中性子が電子(ベータ線)を放出して陽子に変わる現象である、ということまでは知っている人が多い。
ところがベータ崩壊の前後のエネルギーを詳細に比較すると、崩壊後の方がほんのわずかであるが小さいことが発見され、これは結構長い間、謎とされていたのである。ところがニュートリノが電子と同時に放出されていることが観測され、問題は解決された。

何が言いたいか。高校物理のベータ崩壊では今でも原子核から電子しか出て来ない。見事にニュートリノが書き落とされている。有識者に言わせると、「ニュートリノの概念は、高校生には難しいので書かない」のだそうである。

これには逸話がある。朝永振一郎博士が、高校生向けに教科書を書いたとき、検定で、「ニュートリノを削れ」と言われて激怒した、という話である。高校生をバカにするんじゃない、というよりも嘘を教えるんじゃない、と私も言いたい。大学の物理の先生は、学生にこのベータ崩壊を教える時に、ニュートリノの説明に非常に苦労するのだそうだ。大学入試のために覚えたことが嘘だと言うことを学生は認めたくないらしい。

話を戻そう。このように、「素粒子」というものは、時代により、立場により、環境により、異なったものとして捉えられて来たし、今もそうなのである。だから、今、みなさんが考えている「素粒子」の概念は、人により異なるはずであり、その考えを、「無知」とか「幼稚」とか思う必要は全くない。

素粒子論」は、未だ発展途上なのであり、その意味では、これを書いている私だって、立場は、みなさんと五十歩百歩なのである。この読み物では、そういう自戒をこめて、私も積極的に、自分に問いかけをしながら、話を進めて行くことにしよう。解らないことは、解らないと気付くことが大事であるということである。

さて「わかるまで素粒子論」は、全体を三部に分けようと思う。最初が「入門編」、次が「常識編」、最後を「非常識編」とする予定である。(但し、予定は未定であって、決定ではない。)

   「入門編」では、実際につかまえられる粒子を主に相手にする。
   「常識編」では、クォークとレプトンを理解しようと思う。
   「非常識編」は、超ひも理論の概要を私もみなさんといっしょに勉強したい。

驚かれるかもしれないが、私が大学で受けた講義は、「入門編」しか扱っていない。「常識編」で話題にしようとしている内容は、私が大学に入った30年前には教えてもらえなかったのである。但し、概念は既に存在していた。(クォークの提唱は1964年である。)しかし研究途上の概念であり、学部生に講義するほどには、理論が整理されていなかった。(従って、最近の学生なら、当然のように講義されているものと思うので、「常識編」と名付けた。)

高エネルギー物理学が発展するにつれ、陽子・中性子・電子・ニュートリノ以外に素粒子と思われる粒子が続々と発見された。そして驚くなかれその数は軽く100種類(一説には300種類とも言われる)を越えてしまった。なんと、自然界に存在する原子の数(92個)より素粒子の方が多い、という事態になってしまったのだ。

当初は、新しい素粒子を発見した人は、ノーベル賞の対象となったが、徐々に、これは何かおかしいと皆考え始めた。当然のことだ。これらの素粒子(と思われていた粒子)には、もっと基本的な内部構造があるのではないか、という疑問である。

「入門編」では、この素粒子の爆発的発見ラッシュの時代までを対象に話を進めようと思う。

尚、この「序」で述べたことは、本編でもう一度、きちんと説明するので、理解できないことを気にする必要はないことを付け加えておく。

本編へ

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