素粒子論

物質を細かく見ていくとどこまで分割できるのでしょうか？全ての物質は原子から出来ていることはご存知だと思います。また、原子は原子核と電子から出来ており、いわゆる原子番号というのは原子の中の電子の個数を表しています。原子核は陽子と中性子から成っており、陽子は電子と同じ大きさの正の電荷を持っていて、陽子と中性子はほぼ同じ質量（電子の質量の約2000倍）を持っています。ここまでは教科書にも載っているのですが、さらにその先はどうなっているのでしょう？
「素粒子物理学」は自然の究極の構成要素が何であるか、またそれらの間にどのような力がはたらいていて現在の自然の姿を作っているのかを解明しようとする物理の１つの分野です。読んで字のごとく、「素」（もと）となる粒子とは何かを問題としています。現在では、陽子と中性子はそれぞれクォークと呼ばれる粒子が３つ集まって作っていて、そのうちの１つのクォークが違うだけであることが分かっています。このことは陽子と中性子が電荷が違うだけで、原子核の構成の仕方や質量がほぼ同じであるなど兄弟のような性質を持っていることを自然に説明できます。今やこのようなクォークが６つ見つかっています。３つは正の電荷を持ち、残り３つは負の電荷を持っています。そしてこれらは陽子と中性子が兄弟であったように、電荷の違いを男女としますと、男女の双子が３組いるような６人兄弟になっています。実は電子の方にも電荷の違う相方がいてニュートリノと呼ばれています。そしてこの組がクォークの場合と同じように３組いて６人兄弟です。数が揃っているのは偶然ではなく、それらの間にはたらく力の法則を調べると、このことは必然であることが分かります。
これらの「素粒子」の間には４つの種類の異なった力が働くことが知られています。そのうちの２つは皆さんはよく知っていると思います。１つは重力（万有引力）で、もう１つは電気や磁気の力です。残り２つは原子核の中のようなミクロの世界でしか感じることの出来ない「強い力」と「弱い力」と言われるものです。クォークや電子の兄弟達は、これら４つの基本的な力の１つ１つに対応する別の素粒子をお互いに交換することで、力を及ぼし合っていると考えられています。これらの素粒子とその間の力を記述する理論は、皆さんが高校で学ぶ力学や電磁気学の延長線上にあり、現在も発展中なのです。この発展中の理論は実験で確かめられたり、新しい現象を予言したり、これまで謎だった問題を解決してくれます。
素粒子理論は宇宙の初期を解明するのに使われています。時間をさかのぼっていくと宇宙はその初期では非常に高温で、物質の状態は我々の日常とは異なり素粒子のスープ状であったと考えられています。これはビッグ・バン理論と呼ばれ、様々な観測から最もらしいことが確認されています。このごく初期の状態を記述するには素粒子の理論が必要なのです。例えば、素粒子の理論によると全ての粒子にはその影武者のような反粒子というのがいます。反粒子は粒子と同じ質量を持っていて電荷は逆です。電子に対して陽電子、クォークに対して反クォークといった具合です。そして粒子と反粒子が出逢うと非常にエネルギーの高い光（ガンマ線）に変わります。逆にエネルギーの高い光から粒子と反粒子の対が生じることもあります。実験室でこのような反粒子を作ることは出来ますが、我々のまわりには殆ど存在しません。ビッグ・バンは高エネルギーの火の玉、つまり光の塊から始まったとされています。そうすると粒子と反粒子が同じ数だけ出来るはずです。では反粒子はどこに行ってしまったのでしょうか？我々の銀河から遠いところに反粒子だけから出来た銀河がるのでしょうか？その可能性は理論や観測から望み薄です。実は現在の宇宙の姿を説明するには、100億個の反粒子に対して粒子が１個だけ多ければよい、つまり100億1個あればよいことが分かっています。このごく僅かの差を説明する鍵が現在の素粒子理論の中にあるのではないかと考えられていて、私の研究テーマの１つはこの差を実験で確かめられた理論から説明することです。
大学ではこのような最前線の理論を学ぶための基礎となる物理学を勉強し、４年生の卒業研究ではビッグ・バン理論の基礎や素粒子物理の基礎となる相対論や量子論を勉強します。大学院に進学すれば最先端の素粒子理論の一部に触れることが出来ます。少ない理論で多様な現象を説明できるという物理の醍醐味も魅力なのですが、その理論の成り立ちが数学的にも美しく自然の奥深さが感じられます。