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このような多様な素粒子があるのにもかかわらず,それらが
私たちの身の回りに見当たらないのはどうしてでしょうか。
身の回りの普通の物質は原子で,それらは,この表でいえば,
第1世代の粒子である,
u,d クォークと電子だけからできています。
ゲージ粒子については,力として現れているので,クォークと
レプトンについて説明します。ニュートリノとそれ以外のものと
では少し状況が異なります。
素粒子はエネルギーと量子数に関する保存則さえ満たせば, 他の粒子(群)に変化することができます。 エネルギーEは質量をm,光速度をcとすると, 相対性理論により,E=mc2 の関係があるので, 質量で考えても構いません。 例としてミューを考えます。この粒子は2マイクロ秒(2x10-6秒) で,電子とニュートリノに崩壊してしまいます。 質量の値を見てもらえば分るように,この崩壊はエネルギー的に許されて います。
それでは電子はどうして安定なのでしょうか。それは,電子よりも 軽く,電子の持つ量子数(例えば電荷−e)を持つ粒子(群)が存在しない からです。 u,d クォークと電子以外の粒子は不安定で,ある寿命で崩壊してしまいます。 ゲージ粒子も粒子と考えれば,光子以外は不安定です。 これが,各種の「重い」素粒子が私たちの身の回りに見かけられない理由です。
ところで,このように「短い」寿命で(ミューは2x10-6秒)
崩壊するものを粒子と呼んで良いのか,という疑問を持たれると
思います。
時間が短い,長いという絶対的な基準はありません。
しかし,そのプロセスに特徴的な時間があり,それを基準にして
長短を考えることは意味があります。
人間にとっては1秒というのが,多分,1つの動作をする際の基準的
な時間でしょう。一歩あるく,一言しゃべる,一口食べる,といった
動作です。1秒に1m歩くと1時間では約4km進みます。だから
1時間は結構「長い」時間です。1時間アイスクリームを持って歩いたら
多分溶けて流れてしまうでしょう。アイスクリームはこの基準で
不安定です。しかし靴や服は,その程度では変化せず安定です。
でも同じ服と靴で10年歩けば,相当壊れてくるでしょう。
素粒子の世界では,1つの動作をする時間にあたる長さは,
約10-24秒です。(この値は,素粒子世界の
基本的な長さが10-15m程度で,そこを光の速度に
近い速度で素粒子が運動しているとして出しています。
私たちが1秒程度で隣の部屋に移動できることに対応しています。)
これに比べてミューの寿命は十分長いのです。
なお,この寿命というのはあくまでも平均的な寿命です。 不安定な素粒子がいつ崩壊するかは,純粋に確率的な現象であって, 個々の粒子については予測不可能です。その平均的な値だけが 分っているということを断っておきます。
また,この素粒子の崩壊などの変換についてコメントしておきます。
崩壊というと,袋の中に,いくつか部品があって,それが袋が
破けてばら撒かれるようなイメージを持つことがありますが,
今の場合それは誤りです。化学変化では,例えば,塩(NaCl)が
NaイオンとClイオンになるというとき,始めから,NaClの中に
NaとClがあって,それが分離したわけです。
素粒子の反応は,このようなイメージとは全く異なります。
素粒子はその言葉どおり内部構造を持ちません。
素粒子の崩壊では,最初にあった粒子が完全に消滅し,
その代わりに別の粒子(群)が創生されるのです。
このあたりは,古典力学的な見方では理解できません。量子力学と
近代的な真空/場の考え方に基づく把握が必要となります。
次にニュートリノです。
ニュートリノは崩壊しませんが,あまり身の回りにはないように
思われます。
これには相互作用(力)が関係します。
我々の周りの物質は原子からできていますが,原子が壊れずに
まとまっているのも,原子が組み合わさって物質を形づくって
いるのも,その間に電磁気力というしっかりとした力が働いているから
です。各種の「もの」の安定性は電磁気力という強力な力の
おかげなのです。(なお,地球のように巨大なものとなると,重力が
それをまとめ上げていることになります。)
ところが,ニュートリノは表をみるとわかるように弱い力しか
働きません。このため,物質との作用が弱く,通常の物質中に
とどまらずにどこかへ飛び散って行ってしまうのです。
ニュートリノは質量が0に近いので,光速に近い速度で運動しています。
そして,地球でも容易につきぬけてしまいます。
この「地球でもつきぬける」という話を聞いて,ニュートリノは危険なの
ではないかと誤解する人がいます。
物質は原子からできていますが,その間は何もなく,電磁気力に
影響を受けない粒子にとって物質は「すかすか」なのです。
人ごみの中をすばやく通り抜けることを考えます。
乱暴な人は,通行人を片っ端から殴り倒して通り抜けるかも知れません。
もちろん,これは危険な方法です。銃弾が板を貫通するときの方法です。
しかし,通行人に触れずに,その隙間をすり抜けて,通り抜けることも
できます。これは危険ではありません。ニュートリノが地球を通り抜ける
のはこの2番目のやり方なのです。
実際,ニュートリノは宇宙から,太陽から,上層大気での宇宙線の
生成物から,地上の原子炉から,地下の放射性物質から,などの源から
多量に放出されており,今現在もあなたをいくつかのニュートリノが通過
していっている筈です。でも何の害もありません。あなたを構成する
原子のどれにも「触れずに」通り抜けているはずです。