粒子の時代クォーク、反物質、ニュートリノはどう現れたか
宇宙が冷えるにつれ、クォークが結びついて陽子と中性子になり、物質が反物質に勝った。この時代の出来事と、クォーク、反物質、ニュートリノの発見。
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素粒子の時代は、ビッグバンの 10⁻¹² 秒後から3分後まで続きます。この間に、クォークは最初は自由に動き回り、やがて陽子と中性子に閉じ込められ、電子と陽電子が宇宙を支配し、約1秒でニュートリノが自由に進み始めました。最も興味深いのは1つの帳簿です。粒子と反粒子が10億組あるごとに、物質の粒子が1個だけ余ったのです。今日の星も山も人も、すべてその小さな余りから来ています。
状態が古いほど、直接観測するのは難しくなります。研究者は、極端な条件を加速器で再現したり、理論で導き出したりします。読むときは、各項目が実験的な証拠に基づくのか、理論的な予測に基づくのかに注意してください。
6つの出来事
- 10⁻¹² 秒・クォークの時代：クォークが熱いスープの中を自由に動き回る。煮立った鍋の中を泳ぐ具材のようなものです。
- 10⁻¹¹ 秒・バリオン非対称性：粒子と反粒子の対10億組につき、物質の粒子が1個余る。これが物質が生き残った理由です。
- 10⁻⁶ 秒・ハドロンの時代：クォークが陽子と中性子に閉じ込められ、単独のクォークは二度と見られなくなる。
- 1秒・レプトンの時代：電子と陽電子が宇宙を支配する。
- 1秒・ニュートリノの脱結合：ニュートリノが自由に進むようになり、ほかの物質とほとんど相互作用しなくなる。
- 10秒・電子・陽電子の対消滅：少数の電子が残り、光子が大幅に増える。
クォーク：模型から液体へ
最初に、素粒子の仲間に秩序をもたらす考えが現れました。陽子と中性子は、より小さな「クォーク」からできている、というものです。それは当時の混沌とした素粒子の動物園を整理しました。論文のタイトルは「バリオンとメソンの概略模型」です（Gell-Mann, Physics Letters, 1964）。次の問いは、なぜクォークが単独で見られないのかでした。その答えは漸近的自由性と呼ばれます。クォーク同士が近づくほど相互作用は弱まり、離れるほど強く引き合うので、閉じ込められたままです。論文のタイトルは「非可換ゲージ理論の紫外挙動」です（Gross and Wilczek, Physical Review Letters, 1973）。
自由に動き回るクォークの状態は、その後、実験室で再現されました。重イオン衝突によって、最初の数マイクロ秒のクォーク・グルーオン・プラズマが再現され、それは粘性のほとんどない液体のように振る舞います（STAR Collaboration, Nuclear Physics A, 2005）。
反物質：まず紙の上で、次に宇宙線の中で
ポール・ディラックは量子力学と相対性理論を組み合わせて電子を記述し、その方程式の解は思いがけず反物質を予言しました。論文のタイトルは「電子の量子論」です（Dirac, Proceedings of the Royal Society A, 1928）。数年後、その予言は確認されました。宇宙線の中で、正の電荷をもつ電子が撮影され、人類は初めて反物質を目にしたのです。論文のタイトルは素朴に「陽電子」です（Anderson, Physical Review, 1933）。
なぜ物質が勝ったのか
粒子と反粒子は対で現れるのに、どうして物質が余ったのでしょうか。アンドレイ・サハロフは、宇宙で反物質より物質が多くなるために必要な3つの条件を挙げ、これは今も研究の出発点です。論文のタイトルはテーマをそのまま示しています。「CP 不変性の破れ、C 非対称性、そして宇宙のバリオン非対称性」です（Sakharov, JETP Letters, 1967）。もう1つの手がかりは実験から来ました。K 中間子の崩壊は、物質と反物質の間で物理法則が完全には対称でないことを示したのです。論文のタイトルは「K₂⁰ 中間子の 2π 崩壊の証拠」です（Christenson, Cronin, Fitch and Turlay, Physical Review Letters, 1964）。
ニュートリノ：幽霊粒子
ニュートリノはほとんど何とも相互作用しないので、捕まえるのは困難です。研究者たちは原子炉のそばで何年も待ち続け、ついにこの「幽霊粒子」を捉えました。論文のタイトルは「自由ニュートリノの検出：確認」です（Cowan, Reines et al., Science, 1956）。のちに、ニュートリノは3つの種類の間で変化することがわかり、質量があることを意味します。この観測はスーパーカミオカンデ検出器によるもので、論文のタイトルは「大気ニュートリノ振動の証拠」です（Fukuda et al., Physical Review Letters, 1998）。
ゲームでの表現
ゲームでは、素粒子の時代の期間は「10⁻¹² 秒〜3分」と書かれ、資源は粒子です。ジェネレーターはクォーク・グルーオン・プラズマ、物質・反物質の対消滅、ハドロン化、ニュートリノの脱結合で、上の実際の過程に対応しています。ジェネレーターは、これらの段階の順序を感じ取るための仕掛けにすぎません。現実には、そんな機械は存在しません。
実際の根拠
クォーク時代(10⁻¹² 秒):クォークが熱いスープの中を自由に飛びまわる
バリオン非対称性(10⁻¹¹ 秒):物質と反物質のペア10億組につき、物質の粒子が1個余る
ハドロン時代(10⁻⁶ 秒):クォークが閉じ込められて陽子と中性子になる
レプトン時代(1秒):電子と陽電子が宇宙を支配する
ニュートリノ脱結合(1秒):ニュートリノが自由に飛びはじめる
電子・陽電子の対消滅(10秒):わずかな電子が残り、光子が増える
関連する研究
これらの研究はこのトピックに関連しますが、このページの直接の証拠ではありません。
クォーク模型：ゲルマンは、陽子と中性子はもっと小さな「クォーク」でできていると提案し、粒子の動物園に秩序をもたらした。
出典：Gell-Mann, Physics Letters 1964, "A schematic model of baryons and mesons"
漸近的自由性：クォークは近づくほど相互作用が弱まり、離れるほど強く引き合う。クォークがいつも閉じ込められている理由を説明する。
出典：Gross & Wilczek, Physical Review Letters 1973, "Ultraviolet behavior of non-abelian gauge theories"
サハロフの条件：サハロフは、宇宙が「反物質より物質を多く」生み出すのに必要な3つの条件を挙げた。今も研究の出発点だ。
出典：Sakharov, JETP Letters 1967, "Violation of CP invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe"
CP対称性の破れ：K中間子の崩壊は、物質と反物質の物理法則が完全には対称でないことを示した。
出典：Christenson, Cronin, Fitch & Turlay, Physical Review Letters 1964, "Evidence for the 2π decay of the K2 0 meson"
陽電子：アンダーソンは宇宙線の中に正の電荷をもつ電子を撮影した。人類がはじめて反物質を目にした。
出典：Anderson, Physical Review 1933, "The positive electron"
ディラック方程式：ディラックは量子力学と相対性理論を組み合わせて電子を記述し、方程式の解のひとつが思いがけず反物質を予言した。
出典：Dirac, Proceedings of the Royal Society A 1928, "The quantum theory of the electron"
ニュートリノを捕まえる：原子炉のそばで何年も待ち、ほとんど何ともぶつからないこの「幽霊粒子」をついに捕まえた。
出典：Cowan, Reines et al., Science 1956, "Detection of the free neutrino: a confirmation"
ニュートリノ振動：スーパーカミオカンデは、ニュートリノが3つのタイプのあいだで変わることを見つけた。つまり質量があるということだ。
出典：Fukuda et al. (Super-Kamiokande), Physical Review Letters 1998, "Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos"
完全な液体：重イオン衝突で、宇宙誕生から最初の数マイクロ秒のクォーク・グルーオン・プラズマが再現された。粘性がほとんどない液体のようにふるまう。
出典：STAR Collaboration, Nuclear Physics A 2005, "Experimental and theoretical challenges in the search for the quark–gluon plasma"