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小林・益川理論から量子力学を復習

2012-11-25 | 15:51

量子力学は沢山のクォークが出てくるので、小林・益川理論にそって復習します。

物質を造るクォークは
第一世代のアップクォークとダウンクォーク
自然界のすべての物質はこれだけで出来ています。
陽子はuクォーク2つとdクォーク1つ
中性子はuクォーク1つとdクォーク2つ
この核子が原子核となります。


では何故、第二世代のクォークが必要だったか、というと量子加速器で衝突させた時、第一世代のクォークだけでは説明のつかない粒子が出てきたからです。
とても奇妙なのでストレンジと名付けられました。
対照となるのはチャームクォークです。

第三世代のクォークに行く前に力を伝えるゲージ粒子をまとめると
強い核力:グルーオン
弱い力:Wボソン、Zボソン
電磁力:光子
です。
重力はヒッグス粒子ですが、これはヒッグス場ということで、まだ理論的にも統一されていません。

弱い相互作用(弱い核力)
アップクォークをダウンクォークに変えます。
中性子のベーター崩壊ではダウンクォークがWボソンを媒介にしてアップクォークに変わります。
ただしアップクォークと対になるのは、ダウンクォークとストレンジクォークの混合したものでした。
このねじれ具合を「カビボ角」と呼び、これがあるせいでストレンジクォークが出てきたりアップクォークに変わったりします。

1964年に「中性K中間子@ダウンクォークとストレンジ反クォークが束縛した状態」の崩壊がCP対称性を破っているのが発見されます。
CP保存則は粒子と反粒子を入れ替えた(荷電反転)の世界では、空間反転(3軸すべての反転のこと。1軸反転の鏡像反転とは別個)するという素粒子対称性理論です。
当時、この対称性が破れる現象を説明する理論がなかったのですが、小林・益川理論は3世代のクォークを導入することで説明。その存在の予言をしました。
それはダウン、ストレンジ、ボトムクォーク(トップクォークとともに第三世代をなす)の間のねじれを3つの角度で現し、混合の仕方が複素数を含む6つのクォーク場の位相回転では吸収しきれない複素数位が残ることで証明します。いわゆる「複素数位相の自由度の発現」です。
この複素位相は2世代では残らないので、3世代目が必要でした。

当時は第二世代のチャームクォークすら見つかってなかったので、第三世代までの存在を予言したのは驚きでしたが、1995年にトップクォークまで見つかり、2001年にはB中間子(ダウンクォークとボトム反クォークの束縛状態)の崩壊実験で、CP対称性の破れの計算結果も完全に一致。
正しさが証明されました。
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