素粒子物理学の標準模型

標準模型は、物質が何からできており、その構成要素の間にどのような力が働くかを記述する理論である。それは物理学が生み出した最も精密な理論であり—そしてニュートリノは、それが実験室において明らかに不完全である唯一の箇所である。

その内訳

12個の物質粒子が三つの族に整理されている。陽子と中性子を構成する6個のクォークと、 6個のレプトン、すなわち電子、ミュー粒子、タウ粒子と、それらに対応する三つのニュートリノである。それぞれに反粒子がある。

4種類の力の粒子。光子は電磁気力を伝え、WボソンとZボソンは弱い相互作用を、グルーオンは原子核をまとめる強い相互作用を伝える。

1個のヒッグス粒子があり、その場が他の粒子に質量を与える。それは2012年にCERNで検出された— 予言からほぼ50年後のことである。

重力は欠けている。それは標準模型に含まれておらず、どうすれば組み込めるのかは今のところ誰も知らない。

その実績は並外れている。標準模型はWボソンとZボソン、チャームクォーク、トップクォーク、そしてヒッグス粒子の存在を、それらが見つかる前に予言した—一部は数十年も前にである。

その予言のいくつかは小数点以下12桁まで測定と一致する。それはベルリンと東京の距離を髪の毛の幅の精度で定めるような正確さである。

ただ一つの加速器実験も、明白な矛盾を見いだしたことはない。

それでもなお標準模型は明らかに不完全である。その空隙はよく名指しされている。

重力は現れない。

暗黒物質と暗黒エネルギーは合わせて宇宙のエネルギー内容のおよそ95パーセントを占める。標準模型が記述するのは残りの5パーセントである。

物質の優位。ビッグバンでは物質と反物質が同量生じたはずである。なぜ何かが残ったのかをこの模型は説明しない— クォーク部門で知られている非対称性は桁違いに小さすぎる。

三という数。なぜちょうど三つの粒子族があり、二つでも五つでもないのかは分かっていない。 Zボソンでの測定は、三つであることを告げる。それがなぜかは告げない。

ニュートリノ質量。

もともとの形では、標準模型は質量のないニュートリノを含んでいる。それは不注意ではなく、その構成から自然に導かれる帰結であった。質量のためには右巻きのニュートリノが必要であり、それはこの模型には現れないからである。

1998年に梶田隆章はニュートリノが振動することを示し、 2002年にアーサー・B・マクドナルド（Arthur B. McDonald）はそれが何へ転換するのかを示した。振動できるのは質量を持つものだけである。

こうして実験室の知見が理論に対立している— これまでのところ持ちこたえている唯一のものである。年月の中で報告された他のすべての偏差は、統計的な揺らぎか測定誤差であることが明らかになった。

標準模型はニュートリノ質量を含むように拡張できる。問題はどのようにかである。シーソー機構は一つの答えとなりうるものであり、それは同時に物質の優位を説明する道をも開くであろう。

標準模型を超えようとする者は、かつて一度それが屈した場所を探る。そのため世界中で数十億の資金がますます大型のニュートリノ検出器へ注ぎ込まれている—JUNOからDUNE、そしてハイパーカミオカンデに至るまでである。

ニュートリノはこの模型の中で最も軽く、最も数が多く、そして最も風変わりな粒子である。そしてそれは、理論が知らなかった何かをすでに一度明かした唯一の粒子でもある。