物理カテゴリが増えないよな、貴様。って吉野に言われました。

何書けばいいんですか。ていうかおもしろおかしくてそこそこわかりやすい説明ができそうなとこはしちゃった感があるんですよ。
まさか自分自身すらロクに理解できてもいない素粒子に言及しろとでも？


よーしぱぱ素粒子を語っちゃうぞー！

素粒子ってなんだろう。
…なんだろうね？（ぉぃ

おわり。

ちょｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗ石投げんなｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗ

まず何から説明すればいいんだろう。物質ってもんが原子の組み合わさった分子って形で我々の目にするところとなっている、ってのはいいよね。ここまでは高校か中学校のレベルで学べる話だし、化学反応式ってのはこれの遷移式にすぎない。ってのも分かるよね。
素粒子行く前にまず原子のおさらいからはいるか。

要は、水ってのはH₂Oですよって話な。

はいここまでおっけー。じゃ、ここから水素原子を取り出してみよう。Hな。
陽子一個と電子が一個。陽子の周りを電子がぐるぐる回る、ってやつで、見たことあるだろ。ない？
無いやつはしらん。置いていく。
古典物理学では原子は物質の最小構成なんでこれ以上分解できません。

はいここまでおっけー？　おっけーだよね。

いやもうこれ以上分解できないないお。って思ってたんだけど。
世界を観察しているとですね、ときどき変なもんが見つかるんですよ。

たとえばここに、同じ原子を同じ数だけ突っ込んだ袋が二個あるとしますね。
そうですね、水素原子を1億個くらいぶっ込んでみますか。もちろん、原子状態では安定しないので水素分子にするなり水の形態にするなりで実験の時は計りやすくしてますよ？

重さを測ってみます。

普通同じにならないといけないじゃないですか。1億個ですし、水素一個を1水素gと仮定すると1億水素gでなくちゃいけないはずじゃないですか。

違うんですね、これが。1億水素gにならないんです。
これを発見したのが、1931年にアメリカの化学者ハロルド・ユーリーと名乗るおっさん。

え？　物理じゃないって？　黙って聞いてろよヴォケが。

水素の中には、電子と陽子のペアじゃないやつもいるんじゃね？？？？？
ってことで見つかったのが重水素。ごく稀に三重水素、なんてものも見つかりますが、重水素は日常の水素の中にも0.0015%の確立で発生します。

さて、この前の年に、ドイツではボーテとベッカーというおっさん二人が放射線をいろんなもんに当てて遊んでいました。
するとですね、ポロニウムから放射するアルファ線をベリリウムとかリチウムとかヨウ素に当てるととんでもなく透過力の高い放射線が出ていることに気付いたのです。
すでにX線などは見つかっていましたが、これまで発見されたどのようなγ線よりもこの放射線は透過力が強いのです。

ていうかそれまでガンマ線を止めていた鉛の塊とかすら平気で透過してくるのです。キモい。

彼らは、たぶんγ線の新種の新発見だ！と思いました。わーい。
ていうかもしかして放射線発生メカニズムのガンマ崩壊とかα崩壊を語らないといけないんじゃないかなって気がしてきたが気にしないことにしよう。

わーい。で、ためしにこの放射線を水素とかにぶち当ててみると、水素から陽子が高エネルギーな状態ではじき出されてしまいました。まあそれ自体はγ線でも起きておかしくなかったんですが、非常に珍しい話でしたし、いろいろ実験していくとだんだんとγ線っぽくないことが出てきてしまい、従来のγ線の定義や仮定、仮説や理論から外れていくのです。

そしてとうとう、1932年以降にイギリスのジェームズ・チャドウィックっておっさんがやった実験で「これはγ崩壊によって発生しているγ線では”ない”」ことが証明されてしまいます。
新発見でした。わーい。

このおっさんは、ある仮定を立てます。この放射線は”陽子と同じ質量をもつが電荷をもたない”粒子によるものであると仮定し、実験。そして、この仮定がビンゴします。

そして発見されたのが、”中性子”です。この発見により、ハロルドのおっさんが発見していた重水素に説明がついたのです。
つまり、重さが違っていた重水素は中性子一個と陽子一個、そして電子が一個回ってたわけです。
電子の重さはﾁｮｰ軽くてﾊﾟﾈｪので、重さとしては重水素は水素原子の約2倍の重さになるわけです。
これはデューテリウムと名付けられました。

やがて、中性子二個＋陽子1個のトリチウムも発見されます。驚いたことに、トリチウムもデューテリウムも普通に自然界にのほほんと低確率で存在していました。
デューテリウムは²HまたはD、トリチウムは³HまたはTなんて感じで書きますが、これらは普通に酸素結合して水の状態で存在していました。

そう、これが同位体とよばれる物質群です。アイソトープ。化学を高校で習った時に多分同素体なんかと一緒に習っていると思います。たいていごっちゃになりますよね。
同素体のことはこの際すっぱり忘れていいです。あなたが高分子化合物だとかばけがくを一生懸命やりたいなら知っておくべきですが、素粒子にはあんま、っていうかむしろ全く関係ないです。

同位体、アイソトープは水の中に低確率でH₂Oに混ざって、²H₂Oや、³H₂Oなどといった形で存在していますが、天然の存在濃度ではあまりに濃度が低すぎるので水の状態になると重水素や三重水素の性質はほとんど消えていました。
とはいえ、重水素水や三重水素水を作ってもそれらの性質はそれほど水と変わるものではなかったのですが。

このうち、三重水素は弱い放射性元素で、アルファ崩壊を起こしながらアルファ線を放射しています。
当然天然水にも含まれており、水道の蛇口からも出てきます。

アルファ線も放射線ですので、極端な話、手を水で洗うと被曝します。

アルファ線なんで皮膚表面のゴミで弾かれて終わりですけどね。このように、自然界には放射性同素体は少なくないので、日常生活でも普通にわれわれは放射線をばんばん浴びています。
だから、時折見かける「健康被害のありえない放射線被ばくだからというが本当にそうなのか。放射線を浴びること自体が問題であり健康被害が生じるかどうかは問題の主要ではない！」的な論調の人は死ねばいいと思います。て言うかおひさまの光も浴びないでくださいませんか。

さて、話が横道にそれましたね。こうして、中性子が発見されたわけです。
この発見は、何につながったかというと水爆です。爆縮による核融合反応には通常の水素では反応がよろしくなく、重水素とリチウムを用います。なんでリチウムかって？

Liは原子数3、電子数3の安定アルカリ金属ですが、こいつのアイソトープに⁶Liと⁷Liってのがあります。
これは、陽子3個中性子3～4個、電子3な金属なんですが、非常に安定した同位体なんですね。
たいていの同位体は不安定なため、生成しても崩壊しやすいんですが、これは崩れにくいんです。
こういった崩れにくい同位体を安定同位体といいます。安定同位体は安定しているので、普通に天然で存在します。

これに中性子をぶつけると、三重水素と⁴Heに変化するんですね。固体ですし安定元素ですし、おまけに通常時は放射線を出さないのでとっても扱いやすいわけです。
これらを爆縮することでローソン条件を満たし、融合反応に導くわけですが、この辺はさらっと流して。

さて。では、なんで中性子と陽子で電荷のあるなしがあるんでしょう？

重さがまったく一緒。でも性質が違う。その差を作ったのは一体何なのか。
こうして導かれたのが、素粒子物理学でした。これは中性子の発見からほどなく着手されましたが、そもそもそれを見つける方法が近年まで存在しないので、長らくは理論優先の世界でした。

まず、原子や中性子を構成する”なにかもっとちいせぇもの”があると仮定してみます。
そして、そのもっと”ちぃせぇもの”は個々にエネルギー種によって分類してみることにしました。

素粒子物理学はまだ近年にできたばかりの理論ですので、基本的には実証が追いついていない部分も多く、仮定や仮説で構成されている部分が大きいのです。
この中で、最も一般的なのが標準理論とよばれるものです。

ここから先は如何に現実とかい離した思考ができるかという点にかかってきてしまいます。
簡単な話では済まないのです。

まず最初に陽子の中にはハドロンとよばれる塊があって、それが素粒子であると考えられました。
しかし、ハドロンはただの殻に過ぎず、その中にはさらに複雑な構造が内包されていると考えられました。
ただ、このハドロン自体を分解してその中身を取り出す、というのは㍉って感じですが、それでもその中身が違うことによって性質変化が起きていることもわかりました。
そこで考え出されたのが、ハドロンの中にクォークという形での存在を仮定することでした。

もうこっからはぐっちゃぐちゃです。沙耶も素粒子そのものの話になるとまったくわかりません。
だって難しいんだもん。実体があるのに複素数空間にアサインするとか意味わかんない。

クォークは陽子の根幹となっており、そのスピン状態によって6種に分けられました。
すなわち、アップ/ダウンクォーク、そしてチャーム/ストレンジクォーク、トップ/ボトムクォークです。
左に書かれているのがプラスの電荷を有するもので、右がマイナスの電荷を有します。
いずれも比較的重い素粒子で、陽子の質量を構成する主体でもあります。この三つのクォークの状態によって、ハドロンの状態が決まります。

次に、レプトン。こちらも6種類あります。こちらも質量を持ちますが、クォークよりもさらに軽い質量しかありません。タウ粒子のみがレプトンの定義後にみつかったもので、これだけはかなり重く、陽子より重いです。
では見ていきましょう。こちらは、電荷はマイナスかゼロしかありません。
まず、電子。もちろん電荷はマイナス。
そして、この電子から電荷が失われたもの、それが電子ニュートリノ。
そして、ミュー粒子とやはりその電位を失ったミューニュートリノ。
最後に、重いレプトンであるタウ粒子とタウニュートリノ。

さらに、このレプトンに関してはそれぞれの粒子の反粒子が存在することも分かっています。
電荷がプラスである、反電子・反ミュー粒子、反タウ粒子。ニュートリノは電荷がないので反転のしようがないですよね。

さらにこれに加えて、”力を伝達する素粒子”が想定されました。
つまり、原子間結合力だの、電子が陽子の周りを回る力だの、原子間の反発力だのを生み出している”もの”。
これが、グルーオン、光子、ウィークボソン、重力子、さらにヒッグス粒子。
これらを量子、といいます。
アインシュタインはこれらすべての量子を同一の場の上に展開しようとし、それが大統一場理論となっていきます。

これらはすべてゲージ理論とよばれる等価交換場を仮定する理論上にあります。
ヤンとミルズというおっさんによって提唱されたもので、1954年。ちょうどそのころ、数学の世界ではファイバー束とよばれる数学理論が定義されていた。

そして、理論型学問である数学のこの理論と、実証型学問である物理のゲージ理論の言ってることの中身が”まるで同じこと言ってね？”ということに気が付き始める。
物理と、数学が、まったく異なる道筋で歩きつづけながら、同じ場所に到達した瞬間だった。
こののち、物理は数学理論を貪欲に取り込んでいく。フェルマーの第三定理が物理に大きな影響を及ぼす、と気づいたのもこの後だ。
フェルマーの最終定理。360年前、彼は一体どんな方法で証明にたどり着いたのか、今となっては誰も分からない。だが、少なくとも現在、谷山・志村予想を経てフェルマー・ワイルズ定理として結実する。
もっとも、フェルマー自身は数学者であると同時に偉大な物理学者でもあったわけだが。

大統一場理論から予見されたのが重力子ですがこれはいまだ見つかりません。
また、重力子が予見された存在量に比べて、あまりも影響できる力が（これまでの実証理論と比べると）小さすぎるため、重力子が他の次元にも作用しているのではないかと考えられます。
シュバルツシルト半径の向こう側。事象の地平を超えた先。

スムーズに解決するために、ヒモ理論が現れてくるわけです。素粒子すらも、一本のヒモの振動形態にすぎないと。それが発展して生まれるのが超弦理論だのと。

そして今、ヒモじゃなくて球じゃね？ｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗ
ってなってるのが超球理論。まだネット上に理論が掲示されている段階にすぎないけれど。
同類として空間子理論などもある。これらは物理学者の夢、大統一理論の否定に到るのだけれど、まあ大統一が夢物語じゃね？ってのはうすうすみんな気づいてるんだろう。
これらは、重力子の存在を否定する。

真面目によんでも池沼の沙耶にはまるで分からないのだが。読みたきゃ読めばいいと思う。
ブルーバックスレベルで書いてくれてはいるので、読みやすいのは読みやすい。

さて、はるか昔にこんな問いかけをしたやつがいる。

「エネルギーってなんなんだ？」

古典力学ならこれへの答えはある。エネルギーとは力、運動、それはある種の状態。
では、この問いかけに答えてもらえないだろうか。

「”力”とは一体何か。」

この一見バカげた質問に、物理学者はこういうと思う。

「理論はあるが、正確なところはまだ言えない」

あなたが隣の人を殴る。殴った力が相手に伝わる。
どのくらいの力で殴ればどれくらいの重さならどれくらい吹っ飛ぶかの計算はできる。

だが、なんで伝わるか、その実態は一体なんなのか。
素粒子はその結論を出せていない。

ええ、もう自分でも何言ってんのかわきゃわかりません。だって自分が分かってないことをどうやって他人に伝えればいいんですか。無理です。誰か助けてください。