素粒子の分類。科学的発見の歴史と本質

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素粒子の分類。科学的発見の歴史と本質

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「これまでにいくつの素粒子が発見されましたか？」とレゲは物理学の本で尋ねます。「それらの特性を説明し、物理学者の間で流通している簡単な参考書の厚さから判断すると、数百です。これらの粒子の多くは収集されます。ヌクロンやピオンのファミリーに似たファミリーで。これらのファミリーはメンデレーエフの周期系に匹敵する役割を果たしているので、化学に役立ちます。しかし、まさにこの類似性が、私たちが原子に似たオブジェクトの分類に従事していることを示唆しています。、そしてまったく素粒子ではありません。何らかの方法で、物質の真の素粒子の探索はすでに再開されており、1963年までに粒子はより大きなファミリーにグループ化されるべきであることが明らかになりました。

古代ギリシャの哲学者は、非常に規則的で対称的な形を原子に帰した。実際の原子はこれとはかけ離れていますが、物理学において対称性の概念が重要な役割を果たすべきであるという考えは残っています。ファミリーによる粒子の分類は、自然界にある種の対称性が存在することを反映しているだけです...」

XNUMX年代の素粒子の物理学は形成の段階にありました。この物理学の分野での実験研究の主な手段は、加速器であり、粒子のビームを静止したターゲットに「発射」しました。入射粒子がターゲットに衝突すると、新しい粒子が生まれました。実験者は加速器の助けを借りて、既知の陽子、中性子、電子に加えて、いくつかの新しいタイプの素粒子を何とか入手しました。理論物理学者は、すべての新しい粒子を分類できるスキームを見つけようとしました。

科学者たちは、異常な（奇妙な）振る舞いをする粒子を発見しました。特定の衝突の結果としてのそのような粒子の誕生率は、それらの挙動が速度によって特徴付けられる強い相互作用によって決定されることを示しました。強い相互作用、弱い相互作用、電磁気相互作用、重力相互作用は、すべての現象の根底にあるXNUMXつの基本的な相互作用を形成します。同時に、奇妙な粒子は異常に長い間崩壊しました。これは、それらの振る舞いが強い相互作用によって決定された場合には不可能です。奇妙な粒子の崩壊率は、このプロセスがはるかに弱い相互作用によって決定されたことを示しているように見えました。

この最も困難な課題の解決に、そして彼の注意を集中させたゲルマン.

マレーゲルマンは15年1929月1948日にニューヨークで生まれ、オーストリアアーサーとポーリン（ライヒシュタイン）ゲルマンからの移民の末息子でした。 1951歳で、マリーはイェール大学に入学しました。彼はXNUMX年に理学士号を取得して卒業しました。彼はその後、マサチューセッツ工科大学の大学院生として過ごしました。ここで、XNUMX年に、ゲルマンは物理学の博士号を取得しました。プリンストン基礎研究所（ニュージャージー州）にXNUMX年間滞在した後、ゲルマンはシカゴ大学で働き始めました。エンリコ・フェルミ、最初は講師 (1952–1953)、次に助教授 (1953–1954)、准教授 (1954–1955) として。 1955 年、ゲルマンはカリフォルニア工科大学の准教授になりました。

彼は、電荷独立性として知られる概念を構築の出発点として選択しました。その本質は、粒子の類似性を強調する、粒子の特定のグループ化にあります。たとえば、陽子と中性子の電荷は異なりますが（陽子の電荷は + 1、中性子の電荷は - 0）、他のすべての点ではそれらは同一です。したがって、これらは、1/2 に等しい平均電荷または電荷中心を持つ、核子と呼ばれる同じ種類の粒子の XNUMX 種類と考えることができます。陽子と中性子は二重項を形成すると言うのが通例です。他の粒子も同様のダブレット、トリプレットと呼ばれる XNUMX つの粒子のグループ、またはシングレットと呼ばれる XNUMX つの粒子のみからなる「グループ」に含まれる場合があります。任意の数の粒子で構成されるグループの一般名は多重項です。

同様の方法で奇妙な粒子をグループ化する試みはすべて失敗しました。ゲルマンは、それらをグループ化するためのスキームを開発し、それらの多重項の平均電荷が核子の平均電荷と異なることを発見しました。彼は、この違いがストレンジ粒子の基本的な特性である可能性があるという結論に達し、ストレンジネスと呼ばれる新しい量子特性の導入を提案しました。代数的な理由から、粒子のストレンジネスは平均多重項電荷と平均核子電荷の差の 1 倍 + 2/XNUMX に等しい。ゲルマンは、ストレンジネスが強い力を含むすべての反応で保存されることを示しました。言い換えれば、強い相互作用の前のすべての粒子の総ストレンジネスは、相互作用後のすべての粒子の総ストレンジネスと完全に等しくなければなりません。

ストレンジネス保存は、そのような粒子の崩壊が強い相互作用によって決定できない理由を説明します。他のいくつかの非ストレンジ粒子が衝突すると、ストレンジ粒子がペアで生成されます。この場合、一方の粒子の奇妙さが他方の奇妙さを補います。たとえば、ペアの一方の粒子のストレンジネスが +1 の場合、もう一方のストレンジネスは -1 になります。そのため、非ストレンジパーティクルのストレンジネスの合計は、衝突の前後で 0 に等しくなります。発生後、ストレンジパーティクルは離れて飛び散ります。その崩壊生成物がストレンジネスゼロの粒子でなければならない場合、孤立したストレンジ粒子は、ストレンジネスの保存に違反するため、強い相互作用のために崩壊することはできません。ゲルマンは、電磁力 (その特徴的な時間は、強い相互作用と弱い相互作用の時間の間にある) もストレンジネスを保持していることを示しました。このように、生まれたストレンジ粒子は、ストレンジネスを保持しない弱い相互作用によって決定される崩壊まで生き残ります。その科学者は 1953 年に彼の考えを発表しました。

1961 年、Gell-Mann は、ストレンジ粒子を説明するために彼が提案した多重項のシステムが、より一般的な理論スキームに含まれている可能性があることを発見しました。これにより、強く相互作用するすべての粒子を「ファミリー」にグループ化することができました。科学者は、いくつかの粒子がそれぞれXNUMXつのメンバーを持つファミリーにグループ化されているため、彼のスキームをXNUMX正道と呼びました(仏教における正しい生活のXNUMXつの属性との類推による)。彼が提案した粒子分類スキームは、八重対称性としても知られています。すぐに、ゲルマンとは別に、同様の粒子分類がイスラエルの物理学者ユヴァル・ニーマンによって提案されました。

アメリカの科学者の八正道は、メンデレーエフの化学元素の周期表とよく比較されます。この表では、同様の特性を持つ化学元素がファミリーにグループ化されています。まだ未知の元素の特性を予測して周期表に空のセルを残したメンデレーエフのように、ゲルマンは粒子のいくつかのファミリーに空いた場所を残し、適切な特性のセットを持つどの粒子が「ボイド」を埋めるべきかを示唆しました。彼の理論は、これらの粒子の1964つが発見された後、XNUMX年に部分的に確認されました。

1963年、マサチューセッツ工科大学の客員教授であるゲルマンは、強い相互作用に関与する各粒子が分数電荷を持つ粒子のトリプレットで構成されていると仮定することで、XNUMX重経路の詳細な構造を説明できることを発見しました。陽子の電荷。

同じ発見は、欧州原子力研究センターで働いていたアメリカの物理学者ジョージ・ツワイクによってなされました。ゲルマンは、ジェイムズ・ジョイスのフィネガンズ・ウェイク（「マーク氏のための2つのクォーク！」）からの言葉を借りて、部分荷電粒子クォークを呼び出しました。クォークは+3/1または-3/2の電荷を持つことができます。 -3/1または+3/2の電荷を持つ反クォークもあります。電荷のない中性子は、+ 3/1の電荷を持つ3つのクォークと-1/2の電荷を持つ3つのクォークで構成されます。+1の電荷を持つプロトンは、+3/XNUMXの電荷を持つXNUMXつのクォークとXNUMXつのクォークで構成されます。 -XNUMX/XNUMXの電荷を持つクォーク。同じ電荷を持つクォークは他の特性が異なる場合があります。つまり、同じ電荷を持つクォークにはいくつかの種類があります。したがって、クォークのさまざまな組み合わせにより、強く相互作用するすべての粒子を記述することができます。

ゲルマンは、1969 年に「素粒子の分類とその相互作用に関する発見」に対してノーベル物理学賞を受賞しました。スウェーデン王立科学アカデミーの Ivar Waller は、授賞式で、Gell-Mann は「素粒子理論の分野で XNUMX 年以上にわたって主要な科学者と見なされてきた」と述べました。ウォーラーによれば、彼が提案した方法は「素粒子物理学をさらに研究するための最も強力な手段の XNUMX つです」。

著者: サミン D.K.

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