長島順清高エネルギー物理学の発展(朝倉物理学大系6,1999).pdf

編集 荒船次郎 東京大学名誉教授 江沢 洋 学習院大学名誉教授 中村孔一 明治大学教授 米沢富美子 慶應義塾大学名誉教授 は じ め に 　素粒子物理学は今,さ らなる飛躍を求めて模索の段階にある.本 書では,高 エネルギー物理学フロンティアの最先端の研究テーマの中から,標 準理論を超 える新現象探索の試みを集中的にとりあげ解説を試みた.現 在までのところ, 標準理論に矛盾する現象は皆無と言ってよい.種 々の実験データに新理論のつ け込む余地は,た だ一つの例外(ニ ュートリノ振動現象)を除いてほとんどな く,そ れも標準理論の訂正というよりはわずかな拡張を必要としているのみと いう方が正しいであろう.そ の意味で標準理論の実験的裏付けは非常に強固で ある.数 学的にも整合性のとれた体系であり,こ れからも一つの学問体系とし て生き残りかつ発展するであろうことは間違いない.し かし,古 典力学や電磁 気学の限界を打開する試みから量子力学や相対性理論が生まれたように,新 た な展開を目指すためには,標 準理論を超える新現象を見つける必要がある. 　標準理論には適用限界がある.エ ネルギースケールがTeV (1012電子ボル ト)を超える現象,ミ クロのサイズにして10-17cm以 下の現象に対しては,標 準理論の予言能力は大幅に低下する.こ の領域を探検して手がかりを得るのは 一つの方法である .も う一つの方法としては,電 弱強の大統一理論,さ らには 重力をも含む究極の統一理論を目指し,そ の試みの中から新物理へのヒントを 探すことである.大 統一の階層性という理論的謎を解く解決法の多くは,や は りTeV領 域に新現象の出現を予言する.し たがって,新 現象を発見するため の最も正統的な試みは,TeV領 域の加速器をつくり実験してみることである. 　一方,大 統一理論や重力理論の本格的検証に必要な,エ ネルギーが1013 ～1016TeV領 域での実験は ,近 い将来にはとうてい実現不可能である.幸 い なことに,素 粒子統一理論が初期宇宙の発展解明につながることがわかり,イ ンフレーションのアイデア提起など宇宙論を大きく発展させた.逆 に宇宙論の 発展が,ビ ッグバン遺跡の探索という,現 代技術では到底実現不可能な高エネ ルギー現象に対する検証の道を開いた.つ まり狭いながらも大統一理論検証へ の窓は開いており,非 加速器素粒子物理という新しい分野が発展しつつある. 　本書は,ま ず標準理論の枠内にあるが,実 験の結果次第では標準理論を超え る可能性のあるテーマとして,第2章 でCP非 保存現象の小林-益川モデルを, 第3章 でヒッグス粒子の性質と発見法を議論する.ヒ ッグスは標準理論の根幹 をなす真空相転移概念における要の粒子である.第4章 ではニュートリノ現象 を,第5章 では大統一と超対称性を解説し,非 加速器実験と加速器実験の両面 から標準理論を拡張しあるいは超える方法を模索する.第6章 では,イ ンスタ ントンやカイラル異常など標準理論に内在するもののこれまでとは異質の新概 念を紹介し,自 然現象との関わりを述べる.発 展如何では伝統的物質観の修正 を迫られる可能性を見てのことである.強 い相互作用のCP保 存を理解するに は第6章 で紹介するアクシオンの存在が,ま た大統一理論を認めるならば第7 章で扱う磁気単極子(モ ノポール)の存在は不可欠のように思える.こ れらの 未発見素粒子の存在やニュートリノの質量問題は,初 期宇宙の発展や暗黒物質 の解明と密接に絡んでいるので,第8章 では素粒子との関わりに重点を置きつ つビッグバンから現在に至る宇宙の発展を概観した.こ の章は,素 粒子物理を 直接に扱うわけではないので最後に置いたが,ニ ュートリノやアクシオンさら には暗黒物質の宇宙における役割を理解するためには,先 に読んでおく方が理 解が深まるかもしれない.筆 者個人の主観が入るにしても,本 解説の中で取り 上げたトピックの半数が