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SCIENTIFIC AMERICAN November 2012

The Inner Life of Quarks

クォークの中の素粒子

By Don Lincoln D. リンカーン
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The universe is a complex and intricate place. We can move easily through air and yet not through a wall. The sun transmutes one element to another, bathing our planet in warmth and light. Radio waves have carried a man’s voice to Earth from the surface of the moon, whereas gamma rays can inflict fatal damage on our DNA. On the face of it, these disparate phenomena have nothing to do with one another, but physicists have uncovered a handful of principles that fuse into a theory of sublime simplicity to explain all this and much more. This theory is called the Standard Model of particle physics, and it encapsulates the electromagnetic forces that make a wall feel solid, the nuclear forces that govern the sun’s power plant, and the diverse family of light waves that both make modern communications possible and threaten our well-being.  宇宙は複雑で入り組んでいる。私たちは空気中は容易に移動できるが,壁を通り抜けることはできない。太陽は元素を別の元素に変えながら地球を暖め,照らしている。電波は月面から地球に人間の声を届けるが,ガンマ線は私たちのDNAに致命的な損傷を与える。
 物理学者は,一見無関係に見えるこうした現象を説明する少数の原理を見いだしてきた。そしてその原理は崇高なまでに簡素な1つの理論にまとめられる。「素粒子の標準モデル」と呼ばれるこの理論は,壁を固く感じさせる電磁気力や太陽のエネルギーを生み出す核力,近代的な通信を可能にする一方で私たちの健康を脅かしもする電磁波を包括している。
The Standard Model is one of the most strikingly successful theories ever devised. In essence, it postulates that two classes of indivisible matter particles exist: quarks and leptons. Quarks of various kinds compose protons and neutrons, and the most familiar lepton is the electron. The right mix of quarks and leptons can make up any atom and, by extension, any of the different types of matter in the universe. These constituents of matter are bound together by four forces—two familiar ones, gravity and electromagnetism, and the less familiar strong and weak nuclear forces. The exchange of one or more particles known as bosons mediates the latter three forces, but all attempts to treat gravity in the microrealm have failed.  標準モデルはこれまでに考案された理論の中で最も成功している理論の1つだ。この理論は物質を構成する2つの素粒子グループ,「クォーク」と「レプトン」の存在を前提としている。陽子や中性子はいずれもクォークから構成されており,電子は最もよく知られたレプトンだ。あらゆる原子,ひいては宇宙に存在するあらゆる物質は,クォークとレプトンを組み合わせて作られている。
 物質の構成要素は,4つの力に支配されている。そのうちの2つはおなじみの重力と電磁気力で,残りの2つはややなじみの薄い「強い力」と「弱い力」だ。重力を除く3つの力は「ボース粒子」に分類される粒子を介して伝わるが,重力を微視的に説明する試みはまだうまくいっていない。
The Standard Model leaves other questions unanswered as well, such as: Why do we have four forces and not some other number? And why are there two types of fundamental particles rather than just a single one that handles everything?  標準モデルには他にも未解決の問題がある。基本的な力はなぜ4種類なのか? 物質を構成する基本粒子はなぜ1グループではなく,2グループあるのか?
These are intriguing problems. Nevertheless, for a long time now a different puzzle has captured my attention and that of many other physicists. The Standard Model views quarks and leptons as indivisible. Astoundingly, though, various clues imply that they are instead built of still smaller components. If quarks and leptons are not fundamental at all, and smaller bits do in fact exist, their presence will force extensive revisions of our theories. Just as nuclear power was inconceivable before Ernest Rutherford discovered the structure of the atom in 1911, unveiling another layer of the subatomic onion will certainly reveal phenomena we cannot yet imagine.  これらは興味深い問題だ。しかし長いこと,私を含む多くの物理学者の関心は別の問題に向けられている。標準モデルはクォークとレプトンを分割不可能な素粒子と見なしている。しかし驚くべきことに,それらがさらに小さな要素で構成されている可能性をほのめかす様々な手掛かりが得られているのだ。
 もしクォークやレプトンが基本粒子ではなく,さらに小さな構成要素が実在するのであれば,現在の理論は根本的に見直されなければならない。ラザフォード(Ernest Rutherford)が原子の構造を発見した1911年より前には核力まで考えが及ばなかったように,素粒子の世界のタマネギの皮をもう1枚むくことによって,これまで想像もつかなかった現象がきっと明らかになるだろう。
Resolving this issue requires scientists to smash particles together at extremely high energies. Since the observation of quarks in the 1970s, we have lacked the tools that might allow us to peer inside them. But now the Large Hadron Collider (LHC) at CERN near Geneva—the same machine that recently found evidence for the Higgs boson, the last undocumented particle in the Standard Model—is gaining speed and could be up to the task.  この問題を解決するには,粒子どうしを超高エネルギーでぶつける必要がある。クォークは1970年代に観測されたが,その内部をのぞき込めるほどのエネルギーを生み出す道具はこれまでなかった。しかし今,スイス・ジュネーブ近郊の欧州合同原子核研究機構(CERN)の大型ハドロン衝突型加速器LHC(標準モデルに含まれる最後の未発見粒子だったヒッグス粒子の証拠を最近発見した)がそのエネルギーに迫りつつある。