素粒子の間に働く4つの力、電磁気力、弱い力、強い力、重力。これらの力はそれぞれ、光子、ウィークボソン、グルーオン、(たぶん)グラビトンによって伝達されています。
そんな4つの力ですが、宇宙が生まれてすぐのアツアツドロドロの時代には区別がつきませんでした。時間が経って宇宙が冷めていくにしたがって、重力が分離して、強い力が分離して、最後に弱い力と電磁気力に分離して、今のような4つの力になったと考えられています。図に表すと次のような感じ。
こんにちは!個別指導WAM 久宝寺校・八尾永畑校の山田です。
世の中、不思議なものだらけですが、宇宙や生命ってとても神秘的で、分からないことだらけですよね。塾でわからないことがあると「宇宙を感じてしまっているな…」と私は表現したりしています。
この世をでっかく見た時と、ちっちゃく見た時。どちらにも活躍するのが「物理」です。この時点で頭を抱える高校生が多いかと思いますが、中でも生物や化学分野でもひっぱりだこの「分子」「電気」「力」といった話は、もともと一つの物理の分野で一緒になっています。それが今回のテーマ「素粒子」です。
私が小学生の頃は「この世で一番小さいものはなーんだ」「原子!」なんてやり取りをしたものですが、中学・高校に上がると「原子の中には陽子・中性子が入っています。さらにそれより小さな電子も入っています。あと光は原子でできてません。」と習って「???」となったものです。この世で一番小さなものはどこに行ったんだ…。ほなちいさいものは何があるんかいな?となったわけです。「素粒子」ですね。
元素は100以上もあり、表に隙間があったり、一つにギュッと並んでいるところもあったりで「なんて見づらくて覚えづらい表なんだ…」と思ったものですが、素粒子は最小の単位と言われるだけあってシンプル。縦4×横4の16種類だけです。わかりやすーい。てことは性質もわかりやすそうですね!!
電荷+2/3。うーーん。ギブアップです。どうしてこうなってしまったんでしょうか?
”電子が持っている電気の量を-1(電子の電気はマイナスです)とすると、+2/3のプラスの電気を持っているのが上にあるアップクォーク、チャームクォーク、トップクォークの3種類、-1/3のマイナスの電気を持っているのが下にあるダウンクォーク、ストレンジクォーク、ボトムクォークになります。
このクォークどうしがくっつくことで、物質のもとになるものが作られていきます。アップクォーク2個とダウンクォーク1個がくっついたものが陽子、アップクォーク1個とダウンクォーク2個がくっついたものが中性子です。このようにクォークがくっついでできたもののことをハドロン、とくに3個のクォークがくっついてできた陽子や中性子のようなもののことをバリオンとよんでいます。
クォークの基本的な知識はここまで!”
さあ、この表と説明でなにか気づきませんか?そう、「電子を-1として」いるからわかりにくいんですね。
電子の電気を-3とすると | 第一世代 | 第二世代 | 第三世代 |
+2 | アップクォーク | チャームクォーク | トップクォーク |
-1 | ダウンクォーク | ストレンジクォーク | ボトムクォーク |
ーバリオンーーーーーーーーーーーーーーーーーー
アップクォーク2個+ダウンクォーク1個=陽子1個
(+2)+(-1)=(+1)
アップクォーク1個とダウンクォーク2個=中性子1個
(+2)+(-2)=(±0)
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とってもシンプル!美しいですね。電子が大きな電荷をもっていて、クォークに合わせて計算したほうがわかりやすくなりました。
さらに、光や力も右側4っつが担っていますね。(重力はグラビトン。ヒッグス粒子と何が違うんでしょうね?私にはわかりません。)
”4つの力と統一理論
素粒子の間に働く4つの力、電磁気力、弱い力、強い力、重力。これらの力はそれぞれ、光子、ウィークボソン、グルーオン、(たぶん)グラビトンによって伝達されています。
そんな4つの力ですが、宇宙が生まれてすぐのアツアツドロドロの時代には区別がつきませんでした。時間が経って宇宙が冷めていくにしたがって、重力が分離して、強い力が分離して、最後に弱い力と電磁気力に分離して、今のような4つの力になったと考えられています。図に表すと次のような感じ。
エネルギーが低くなって分離したんだったら、高くしてあげればまた区別できなくなるようになるんじゃない?
ということで、4つの力をまとめて考えてみようと物理学者は頑張っていたりします。すでに電磁気力と弱い力は電弱相互作用という形でまとめてしまうことができています。この理論のことを電弱統一理論、または作った人の名前を取ってワインバーグ=サラム理論と呼んでいます。
次はこの電弱相互作用に強い力をまとめてしまいましょう。電磁気力、弱い力、強い力の3つをまとめるそんな理論のことを大統一理論と呼んでいますが、残念ながらまだ完成していません。
さらにこの3つの力に重力もまとめてしまおう!ということで、4つの力の全てをまとめて考えてしまう超大統一理論(どうなんだそのネーミング)なんてものも物理学者は企んでいたりします。果てしない欲望。”
上記の通り、宇宙に大きく分けて4つの大きな力に分けられますが、理論上2つはまとめることに成功しました。頑張ってすべてまとめたらすごいことなんですが、それを発見?するのはあなたかもしれませんね。
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もっと詳しく知りたい方はひっぐすたんさんで調べてみてください。素粒子や最新の研究状況について知ることができます。
参照:
ひっぐすたん(HIGGS TAN) ~ https://higgstan.com/
発信者さん:秋本 祐希