量子場理論において、力の媒介粒子とは、他の粒子間に力を生じさせる粒子の一種である。力の媒介粒子は、特定の種類の物理場の量子として働く。[1] [2]力の媒介粒子は、メッセンジャー粒子、中間粒子、交換粒子とも呼ばれる。[3]
粒子と場の視点
量子場理論は、自然を場という概念で記述する。それぞれの場は、特定の種類の粒子の集合として相補的に記述される。2つの粒子間の力は、一方の粒子が他方の粒子に生成する力場の作用として記述することも、2つの粒子間の仮想的な力伝達粒子の交換として記述することもできる。[4]
場中の波（例えば、電磁場中の電磁波）のエネルギーは量子化され、場の量子励起は粒子として解釈できます。標準模型には、以下の力の担い手となる粒子が含まれており、それぞれが特定の力場の励起です。
さらに、中間子などの複合粒子や準粒子は、有効場の励起として記述することができます。
重力は標準模型の一部ではないが、重力波の励起である重力子と呼ばれる粒子が存在する可能性があると考えられている。この粒子の地位は、理論が不完全であり、単一の重力子の相互作用が検出できないほど弱い可能性があるため、まだ暫定的なものである。[5]
粒子の観点から見た力
ある粒子が別の粒子に散乱し、その軌道を変える場合、その過程を2つの方法で考えることができます。場の描像では、一方の粒子によって生成された場がもう一方の粒子に力を与えると考えます。あるいは、一方の粒子が仮想粒子を放出し、それがもう一方の粒子に吸収されると考えます。仮想粒子は、一方の粒子からもう一方の粒子へ運動量を伝達します。この粒子の観点は、計算に多数の複雑な量子補正がある場合に特に役立ちます。なぜなら、これらの補正は、追加の仮想粒子を含むファインマン図として視覚化できるからです。
仮想粒子に関する別の例としては、ベータ崩壊があります。ベータ崩壊では、仮想W ボソンが核子によって放出され、その後 e ±と (反) ニュートリノに崩壊します。
仮想粒子を用いた力の記述は、その根拠となる摂動論の適用範囲によって制限される。低エネルギーQCDや束縛状態の記述など、特定の状況では摂動論は破綻する。
歴史
メッセンジャー粒子の概念は18世紀に遡ります。フランスの物理学者シャルル・クーロンは、帯電した物体間の静電力がニュートンの万有引力の法則に類似した法則に従うことを示しました。やがてこの関係はクーロンの法則として知られるようになりました。1862年には、ヘルマン・フォン・ヘルムホルツが光線を「あらゆるメッセンジャーの中で最も速い」と表現しました。1905年、アルバート・アインシュタインは「光量子とは何か？」という問いに対し、光粒子の存在を提唱しました。
1923年、セントルイスのワシントン大学で、アーサー・ホリー・コンプトンは、現在コンプトン散乱として知られる効果を実証しました。この効果は、光が粒子の流れとして振る舞う場合にのみ説明可能であり、物理学界にアインシュタインの光粒子の存在を確信させました。そして、量子力学理論が発表される1年前の1926年、ギルバート・N・ルイスは「光子」という用語を導入し、これは後にアインシュタインの光粒子の名称となりました。[6]そこから、メッセンジャー粒子の概念はさらに発展し、特に質量を持つ力の担い手（例えば、湯川ポテンシャル）へと発展しました。
参照
参考文献
- ^ イェーガー、グレッグ (2021). 「素粒子物理学における交換力」.物理学の基礎. 51 (1) 13.書誌コード:2021FoPh...51...13J. doi :10.1007/s10701-021-00425-0. S2CID 231811425.
- ^ スティーブン・ワインバーグ、「最終理論の夢」、ハッチンソン、1993年。
- ^ 「交換粒子」。
- ^ Jaeger, Gregg (2019). 「仮想粒子は実在性が低いのか？」(PDF) .エントロピー. 21 (2): 141. Bibcode :2019Entrp..21..141J. doi : 10.3390/e21020141 . PMC 7514619. PMID 33266857 .
- ^ ロスマン、トニー、スティーブン・ボウン（2006年11月）「重力子は検出できるか？」『物理学の基礎』36 (12): 1801–1825 . arXiv : gr-qc/0601043 . Bibcode :2006FoPh...36.1801R. doi :10.1007/s10701-006-9081-9. S2CID 14008778.
- ^ Kragh, Helge (2014). 「光子：古い名前に新たな光を」. arXiv : 1401.0293 [physics.hist-ph].