弱い相互作用

弱い相互作用は自然界の四つの基本的な力の一つである。ニュートリノにとってそれは唯一意味を持つ力であり— それゆえこの粒子がこれほど捉えがたい理由でもある。

四つの力、一つの担当

重力は惑星を軌道につなぎとめる。電磁気力は電子を原子核に結びつける。強い相互作用は原子核をまとめる。

弱い相互作用は別のことをする。それは粒子を互いに変える。中性子を陽子に、ミュー粒子を電子に、一つのクォークを別のクォークにする。

したがってそれは、粒子の同一性を変えることのできる唯一の力である。他のすべては押し、引き、あるいは結びつける—この力は変えるのである。

ニュートリノは電荷も色荷も担わない。電磁気力と強い力にとってそれは見えない。残るのは弱い相互作用だけである—そして、これほど小さな質量では意味を持たない重力だけである。

この力の最も重要な働きは、同時に最も目立たないものでもある。

太陽における核融合の第一段階は、二つの陽子が融合して重水素の原子核になることである。そのためには二つのうち一方が中性子に変わらねばならない—これは弱い相互作用の過程である。

そしてこの力が緩慢であるために、それには時間がかかる。太陽の中心にある一つの陽子は、絶えず他の陽子と衝突しているにもかかわらず、この段階が成功するまで平均して数十億年待つ。

まさにこの緩慢さが太陽を爆弾ではなく発電所にしている。弱い相互作用がもっと強ければ、太陽はとうに燃え尽きていたであろう—そして生命のための時間は決してなかったであろう。

この名は誤解を招く。弱い力の結合の強さはさほど小さくはない。それを弱く見せているのは、 そのゲージ粒子の質量である。

力は交換粒子によって媒介される。電磁気力ではそれは質量のない光子であり、どこまでも到達する。弱い相互作用ではそれはWボソンとZボソンであり、陽子のおよそ80倍の重さがある。

これほど重い交換粒子はごく短い時間しか存在できず、それに応じてほとんど遠くまで届かない。到達距離はおよそ 10⁻¹⁸ メートル—陽子の直径の1000分の1である。

したがって、何かが起こるためには二つの粒子がきわめて近くまで接近しなければならない。まさにそれが断面積をこれほど小さくしている。

きわめて高いエネルギーではこの不利は重みを失う。そこでは弱い力は実際に電磁気力と同程度に強くなる—これは偶然ではなく、両者が統一される理由なのである。

荷電カレントはWボソンを介して進む。その際、粒子は自らの同一性を変える。電子ニュートリノは電子になり、中性子は陽子になる。

中性カレントはZボソンを介して進む。ここではどの粒子もそのままであり、エネルギーと運動量だけが移される。これらの過程は1973年に泡箱Gargamelleで発見された。

この違いは検出において決定的である。電子ニュートリノだけが荷電カレントによって通常の物質と反応するのに対し、中性カレントはすべての種類に開かれているため、サドベリー・ニュートリノ観測所は両方の経路を互いに比較することができた— そうして太陽ニュートリノ問題を解いたのである。

弱い相互作用は左と右を区別する唯一の力である。それは左巻きの粒子と右巻きの反粒子にのみ作用する。

これを1956年に示したのが呉健雄である。ニュートリノにとっての帰結はヘリシティのページが述べている。

この一方向性は今日に至るまで説明されていない。それはいかなる深い原理からも導かれず、理論に組み込まねばならない測定された性質である— 標準模型が根拠を示す代わりにただ記述しているだけの数少ない点の一つである。

1960年代にグラショウ（Glashow）、サラム（Salam）、ワインバーグ（Weinberg）は、弱い相互作用と電磁気力が同じものの二つの側面であることを示した。きわめて高いエネルギーでは、両者は電弱相互作用へと融合する。

両者が今日の私たちにこれほど異なって見えるのはヒッグス機構による。それはWボソンとZボソンに質量を与え、光子を質量のないままにする。それによって一つの力から、これ以上ないほど異なるふるまいをする二つの力が生じる—一方は無限の到達距離を持ち、他方はほとんど到達距離を持たない。