素粒子に働く４つの力
19世紀末の最初の素粒子発見以来、素粒子の世界の研究が進めば進むほど、物理学者は、『自然は、それがいかに複雑に見えても、その究極においては非常に単純である』という確信をますます深めてきました。
物質が、少数のクォーク、レプトンからできていること、そして、それを支配しているのがたった４種類の力であることが分かりました。しかも、これらの力は全て力の粒子を交換することによって働くことが分かったのです。これは20世紀の科学の生み出した偉大な成果の一つです。
自然界には四つの基本的な力（相互作用）がある。それは、重力（万有引力）、電磁力（電気力と磁気力）、強い相互作用の力、弱い相互作用の力の４つである。
４つの力のそれぞれの担い手は、強い力がグルーオン、弱い力がウィークボソン（Ｗ）とゼットゼロボソン（Ｚ）、電磁力は光子である。重力の力の担い手であるグラビトンは理論的なものであって、まだ実験的には確認されていない。これらの粒子をゲージ粒子という。ゲージ粒子とは、粒子間の相互作用にあずかるもので、考え方によっては、場（空間）の性質をもつ粒子である。たとえば、太陽は、重力場を介して、あるいは重力場の粒子的側面である重力子の交換によって、地球を引っ張っているということができる。グルーオンは、質量がゼロでスピンが１の粒子で、カラー荷電に関係する。光子は質量がゼロでスピンが １、Ｗ粒子とＺ粒子は質量が80GeV、スピンが １ で、電荷がプラス１とマイナス１ と ゼロ の３種がある。そして、重力子は、質量がゼロでスピンが ２ であるとされている。また、力に関する重要な点は、その範囲（力が及ぶ距離）、強さ（他の力と比べての相対的強さ）と方向（引力か斥力か）である。重力と電磁力の範囲は無限大であり、弱い力の範囲は10-15cm、強い力は10-13cmである。強さは、強い力を １ として、弱い力は 10-5、電磁力は 137分の１、そして重力は ６×10-33である。力の方向については、重力は引力のみであり、電磁力と強い力には引力と斥力の両方がある。
重力
重力はあらゆる物質の間で働き、常に引力として働くために、万有引力とも呼ばれる。重力の源は「質量」であり、質量が大きいほど強い重力を及ぼす。原子核内の陽子と陽子の間にも重力は働いているが、その強さは電磁気力と比べると非常に小さいので、ミクロの世界では重力の影響を考える必要はほとんどない。
重力＝重力子の交換
私たちを地球に引きつけている重力は、重力子の交換によって伝わります。重力子は質量を持たないので無限の遠方までとどきます。
重力は質量に比例します。一方、質量はエネルギーと等価です。
Ｅ＝ｍｃ2
重力はすべての粒子に働きます。しかし、素粒子の質量は非常に小さく、現在の加速器で到達できるようなエネルギーでは素粒子間の重力は非常に小さく無視できますが、ビッグバンによる宇宙創成直後のような超々高エネルギーでは重要になってきます。
重力には２つの特徴がある。一つは、重力には引力しかないことである。そのため、１個１個の引力は小さくてもそれらが集まることにより大きな引力を及ぼすことができる。電磁気力では反発力があるためこうはいかない。二つ目は、重力の到達距離が無限であることである。遠くなるほど弱くなるが、なくなることはない。重力の持つ一番重要な性質は、「等価原理」である。等価原理とは、重力が物体の質量によらずに、物体に同じ運動をさせる（加速度を与える）ことである。これは、17世紀にガリレオによって確かめられ、重力加速度の大きさが測定された。そして、18世紀にニュートンが等価原理から重力の理論を作り、惑星の運動を説明した。また、重力の強さが２つの物体の質量の積に比例し、また互いに距離の２乗に反比例することを示した。現在、多くの人が正しいと考える重力理論は、アインシュタインの「一般相対性理論」である。アインシュタインは、重力を「空間の曲がり」だと考えた。
電磁気力
電磁気力というのは、「電気力」と「磁気力」をいっしょにした力である。電気力は「電荷」を持った粒子の間に働く力である。重力とは違い反発力があるが、電気力の性質は重力によく似ており、２つの電荷の間に働く強さは、両方の電荷の大きさに比例し、お互いの距離の２乗に反比例して小さくなる。ただし、力の大きさは重力よりはるかに大きい。また、普通の物質はプラスとマイナスの電荷を同数持ち、電気的に中性になっている。一方、磁気力は電荷を持った粒子が運動することで生まれる力である。原子の中では、電子が原子核のまわりを回ることで、小さな磁石になっている。物質全体が磁石になるのは、これらの小磁石の磁極が、すべて同じ方向にそろった時である。 電気力と磁気力の源になるのがともに電荷であることから、二つの力が密接に関係することがわかる。ファラデーは、電気力や磁気力が伝わるのは、電荷や磁石によって周囲の空間が変わり、その変化に他の電荷や磁石が反応するからだと考えた。電荷によって変化を受けた空間を「電場」、磁石によるものを「磁場」、また質量によるものを「重力場」と呼ぶ。1864年、マクスウェルは、電気力と磁気力を一つの法則にまとめた「電磁気力」の理論を打ち立て、「電磁波」という電場と磁場が振動して、空間を光速度で伝わる波が存在することを理論的に示した。電磁波の存在は確認され、光も電磁波であることが分かった。同じようなことは重力にもあり、アインシュタインは重力場の振動が波として光速度で空間で空間を伝わることを予言した。これを重力波という。共通重心という点の周りを周りあう２つの恒星である連星が、重力波を放出してエネルギーを失い、公転周期がだんだん短くなると考えられているが、この変化が実際に確認されていることから、重力波の存在は確実とされている。
電磁気力は電荷に比例します。電荷を持った粒子は、目に見えない光子(仮想光子)をお手玉しながら走っています。言い換えれば、電荷粒子は光子の衣を着ています。 電子が電磁石などで急に向きを変えられると、光子の衣が引きちぎられて飛び出します。これが放射光です。
強い力
強い力＝グルーオンの交換
20世紀に入って原子の構造が明らかになり、原子核と電子が電磁気力で引き付けられていることが分かった。次の問題は原子核の構造とその中で働く力を探ることだった。1935年までに、原子核の中には、陽子と中性子が存在し、そして陽子同士の反発に対抗するためにパイ中間子が核子（陽子と中性子）の間でやりとりされるというモデルが描かれた。パイ中間子によって伝えられる力が「強い力」であるとされた。しかし、その後、多数のハドロンが発見され、より基本的な粒子の存在を意味すると考えられるようになった。そして、パイ中間子などの中間子のやりとりで起こる力だけを核力とよび、これは「強い力」の一つの現れ方であることが分かった。
弱い相互作用の力
弱い力＝Ｗ,Ｚ粒子の交換
弱い力はとても短い距離の間でのみ働きます。通常、電磁気力よりもはるかに弱いのでこの名前がつけられました。
この力は、ハドロンにもレプトンにも作用する。素粒子を束縛するように作用する力ではなく、素粒子の崩壊にかかわる力である。不安定な原子核は、放射線を放出して別の原子核に変化する。放射線とは、陽子２個と中性子２個の結合したヘリュウム原子核（α線）、電子や陽電子（β線）、または振動数の大きな光子の流れ（γ線）である。これらの粒子は、弱い相互作用によって、原子核や核子からはじき出されてくるのである。弱い相互作用を媒介するのは、ＷとＺ粒子である。これをクォークレベルでみると、たとえば中性子（ｕｄｄ）が陽子（ｕｕｄ）になるβ崩壊は、中性子の中のダウンクォーク（ｄ）が、弱い力によって電子と反ニュートリノを放出し、アップクォーク（ｕ）になる過程である。ウィークボソン（Ｗ–）の放出によって、クォークのフレーバーがダウンからアップに変わるのである。放出されたＷ–はニュートリノに吸収され、マイナスの電荷をもった電子になる。
われわれになじみの深いのは重力と電磁力である。第３、第４の力は、われわれの日常的な感覚には直接かからない。それは、原子核の内部でのみ働く到達距離の極めて小さい力であり、原子核の部品（ハドロン）にだけ働いて、それらをつなぎあわせる強い力と、放射性崩壊を支配する弱い力である。この二つの力の場は、原子核の中に閉じ込められていたために発見が遅れたのである。
これまでに分かっていたのは、重力と電磁気力の２種類でした。重力はニュートンが発見しました。電磁気力は、電灯を明るくしたり磁石が引き合う力で、19世紀末に電磁気学として成立しました。この２種類の力があることはよく知られていたのです。
その後、1930年代に発明された加速器の実験を通して、原子の中の「強い力」と「弱い力」という２つの力についても分かってきました。強い力は、クォーク同士や陽子、中性子をくっつけている力で、４つの中で最も強い力です。弱い力は、原子力発電などで利用している核分裂反応のときに働くもので、素粒子の種類を変化させる力です。
これら４つの力のうち、強い力、弱い力、電磁気力の３つの力は、「標準理論」という一つの理論で説明できています。残りの１つ、重力は、私たちの生活に最も身近なのに標準理論では説明されておらず、重力だけが仲間外れになっているのです。
現在のところ確認されているのは、４つの基本的な力である。もしも宇宙に強い力がなかったとするならば、クォークは陽子や中性子を構成することができず、原子核も存在しえない。仮に電磁力がなければ、原子核は電子を捕らえることができず、したがって、原子や分子が存在せず、すべての物質も化学反応もありえない。また、弱い力がなければ、超新星爆発も起きないので重い元素が宇宙にまき散らされることがなく、したがって生物も誕生しえないことになるのである。
地球上で働く重力と惑星を動かす力とは、昔は別のものと考えられていた。これを万有引力の法則によって統一したのがニュートンである。また、電気力と磁気力も異なったものと考えられていたが、マクスウェルの方程式によって統一された。電気と磁気は二つの別々な力の場ではなく、電磁場という単一の力の異なる側面である。最近では、電磁気力と弱い力を統一する理論として、力の統一理論というものが確立されている。この理論によると、光子とＷ、Ｚ粒子は、100GeV（ギガ電子ボルト）より大きい高エネルギーでは同じように振る舞う。さらに、これに加えて強い相互作用も統一しようという。
大統一理論
電弱力（電磁気力と弱い力）はクォーク、レプトンともに感じることができるのに対して、強い力はクォークのみしか感じることができません。このことは、クォークとレプトンの対称性から一見不自然のように思われます。もし、電弱力と強い力が統一され同一の力となれば、この対称性は完全なものとなります。この統一を達成しようとする試みは大統一理論と呼ばれ、高エネルギー物理学の一大目標となっています。
「大統一理論」によれば、電弱力と強い力は、1015GeVを超える高エネルギーで統一される。
一般に、２つの素粒子の距離が近づくとともに、または、力の強さはエネルギーが大きくなるとともに、量子論的なゆらぎの効果によって変わります。エネルギーとともに、電磁気力は強くなり、強い力は弱くなります。さらに、エネルギーを高くしていったらどのようになるのでしょうか。標準理論では、３つの力の強さは互いに接近しますが、いくら高エネルギーになっても等しくなりません。力の大統一はないのでしょうか。私たちは力の背後にあるものが、クォーク・レプトン世界の対称性であることを知っています。大統一を達成するために未知の対称性があるのでしょうか。
超対称性理論
クォーク・レプトン世界には、フェルミオンのクォーク、レプトンの他に、ボゾンのゲージボゾン、ヒッグス粒子が存在します。フェルミオンは半整数のスピンを持ち、ボゾンは整数のスピンを持つ素粒子です。今まで、フェルミオン中の対称性から３つの力を見てきましたが、フェルミオンとボゾンの間にも対称性がきっとあるはずです。この対称性は超対称性と呼ばれ、フェルミオンをボゾンに、また、ボゾンをフェルミオンに変換します。これに基づく超対称性理論は、すべてのフェルミオン（ボゾン）には、超対称粒子のボゾン（フェルミオン）の相棒がいることを予言しています。超対称性を仮定してみると、３つの力が非常に高いエネルギーで等しくなり、力が大統一されます。 このように、超対称性粒子を発見することが力の大統一の鍵となります。超対称性は時空の対称性でもあるため、重力をも統一する超対称大統一理論へと導くものと考えられています。また、超対称性理論は標準理論では決めることのできなかったヒッグスボゾン(ヒッグス粒子)同士に働くヒッグス力を弱い力と結び付け、ヒッグス粒子が比較的軽いこと（ヒッグス粒子の質量は150GeV/c2以下）も予言しています。
３つの力のエネルギー依存性
縦軸が力の強さ（結合定数）の逆数、すなわち、力が弱いほど大きな値を取ることに注意。最新の実験データに基づいて計算すると、標準理論ではいくら高エネルギーになっても３つの力が等しくならないことが判明しました。Ｗ、Ｚボゾンと同程度の質量を持つ超対称性粒子を予言する超対称性理論では３つの力が等しくなり、力の大統一が期待されます。
４つの力を１つの理論で説明できれば、この宇宙の始まりを解明することにつながると考えられています。というのも、この４つの力は宇宙の始まりのときには４つ子の兄弟のように、同じようなものだったと考えられているからです。
素粒子が存在しても、その間に力が働かなければ素粒子同士が結び付かず、物質は存在できません。宇宙が始まってから時間が経つとともに重力が分かれ、その後、強い力、弱い力、電磁気力の順に分かれ、そのたびに物質が形作られていったとされているのです。これを説明できると期待されているのが「超弦理論」です。