ノーベル賞でたどる素粒子の発見物語:標準理論の大きな柱のひとつ、「対称性の破れ」の考えを素粒子物理学に導入

コラム

2008年のノーベル物理学賞は、南部陽一郎氏(シカゴ大学エンリコ・フェルミ研究所)、益川敏英氏(名古屋大学素粒子宇宙起源研究機構長・特別教授、京都大学・名誉教授)、小林誠氏(KEK特別栄誉教授)が受賞しました。日本生まれの三名がノーベル物理学賞を同時受賞するという史上初の快挙です。

受賞理由は、南部氏が「素粒子物理学と核物理学における自発的対称性の破れの発見」、益川氏と小林氏(共同研究)は「クォークが自然界に少なくとも三世代以上あることを予言する、対称性の破れの起源の発見」とでした。ともに素粒子物理学における「対称性の破れ」を扱い、現在の素粒子物理学の理論的な基盤になっている研究であることが共通しています。

南部氏は、多くの物理法則が方程式上では、ある操作を加えても方程式が変わらない(=対称性がある)が、素粒子を生み出している真空は不変でないという「自発的対称性の破れ」がおきることがあることを提唱しました。後に、対称性が自発的に破れることとゲージ粒子が結びつくことで、物質や力の素粒子が質量を有することを説明できるという理論が展開されました。1960年に南部氏が定式化した「自発的対称性の破れ」の考えは、固体物理学の世界で超伝導現象を説明するBCS理論のアナロジーを素粒子物理学の世界に持ち込んだ点でも興味深く、自然界に存在する四種類の力(重力、電磁力、強い力、弱い力)のうち重力を除く3つの力の統一を図る「素粒子物理学の標準理論」の基盤となる考え方です。

一方、益川氏と小林氏とが1972年の論文に表した「CP対称性の破れ」は、南部氏の考えた「対称性の破れ」とは別種のもので、約138億年前のビッグバンで宇宙が誕生した際に生成されたと物質と反物質の間には対等な関係が成り立っていないとする考え方です。CP対称性のCは電荷共役(charge conjugation)変換(粒子と反粒子を入れ替える変換)、Pはパリティ(Parity)変換(空間反転させる変換)を指します。物質と反物質の間に対等な関係が成り立っていて、宇宙誕生時に物質を構成する粒子と反物質を構成する反粒子が同数生成された場合は、粒子と反粒子は出会って対消滅してしまうため、現在の宇宙に物質が存在することの説明ができません。「CP対称性の破れ」の考え方では、粒子と反粒子の間の性質のわずかな差異により、反粒子よりも粒子の方が100億個に1個の割合で多く残り、現在の宇宙が存在することが可能になります。益川敏英氏と小林誠氏は、素粒子物理学の標準模型の枠組みで、この「CP対称性の破れ」を理論的に説明することを試み、基本粒子と考えられているクォークは、当時主流であった
アップ・クォーク、ダウンクォーク、ストレンジ・クォークの3種ではなく、3世代、6種類以上存在することを予言しました。6種のクォークの存在については1995年に実験的に確認され、CP対称性の破れについても米国と日本とで加速器を使って大量に作り出した、5番目のボトムクォークからなるB中間子の観測により、2001年に実験的に検証されました。益川敏英氏と小林誠氏両氏の理論が正しいことが実証されたのです。これをもって6種のクォークを含む、12種類の物質素粒子と、素粒子の間に働く3つの力を媒介する素粒子4種(グルーオン、光子、Z粒子、W粒子)と、「自発的対称性の破れ」を引き起こす1種類のヒッグス粒子。以上、合わせて17種類の素粒子から構成される「素粒子の標準理論」が完成しました。

「対称性の破れ」が3名の日本生まれの博士により導入されることで「素粒子の標準理論」が完成しました。自然法則の基盤に「対称性の破れ」という考え方があるということを、日本生まれの博士が導入したのは興味深いことです。実際、イギリス式庭園やフランス式庭園と日本式庭園を比べてもわかるように日本人にとっては「対称性の破れ」は日常的なことですが、西洋人にとっては自然には出てこない発想です。1965年に朝永博士、シュウインガー博士とともに量子電磁力学の完成でノーベル賞を受賞した米国のファインマン博士は、彼の大学生向けの教科書の中で、日光陽明門の逆柱について言及しています。陽明門を支える12本の柱のうち、一本だけが上下逆さに立てられています。「対称性の破れ」が日本文化に現れているのです。欧米文明で育った彼にとって、それは物理の教科書に敢えて記すほど印象的なことだったのです。

異なる文化背景の日本の研究者が加わって、研究を進める「多様性」がいかに大事かが示された2008年のノーベル物理学賞でした。