素粒子物理学

素粒子物理学は、物質を構成する基本粒子と、それらの間に働く基本相互作用を研究する物理学の分野である。

基本粒子

現在の標準模型では、物質粒子としてクォークとレプトンがあり、相互作用を媒介するゲージ粒子とヒッグス粒子が含まれる。

基本相互作用

標準模型は電磁相互作用、弱い相互作用、強い相互作用を記述する。一方、重力は標準模型には含まれていない。

実験

加速器では粒子を高エネルギーまで加速して衝突させ、生成物の分布から素粒子の性質や新しい現象を調べる。宇宙線やニュートリノ観測も重要である。

粒子を直接見るとは何か

検出器は飛跡、エネルギーの付与、到達時刻などを記録し、それらから粒子の電荷・運動量・種類を推定する。短寿命の粒子は崩壊した生成物から再構成することが多い。写真に点が写るような意味で素粒子そのものを拡大して眺めているわけではない。

例：見えない粒子を推測する

衝突前の運動量と観測された生成物の運動量を比べ、保存則から不足分を調べる。陽子衝突では内部のパートンの縦方向の運動量が事象ごとに不明なので、特にビームに垂直な方向の不足が重要になる。ただし検出器の測定誤差や未測定領域でも不足が生じるため、それだけで新粒子を発見したとは言えない。

エネルギーと空間の分解能

量子論では運動量pに対応する波長はh/pで、一般に高い運動量ほど短い距離を調べられる。高エネルギー衝突は重い粒子の生成と、微細構造の探索の両方に役立つ。理論の予測との比較では、背景過程、統計誤差、系統誤差、探索した条件の多さを評価する。単独の珍しい事象は、確立した発見と区別される。

関連項目