●相互作用【そうごさよう】

電磁相互作用

電磁相互作用の媒介粒子は、電磁場の量子である光子である。その到達距離は、光子の質量が0であるため無限大である。相互作用は、二つの四次元ベクトル、電磁ポテンシャルと電流の積に電気素量eが係数となる形式で表され、結合定数は微細構造定数（無次元で約137分の1の値）である。原子、分子は電磁相互作用で形成される。

［玉垣良三・植松恒夫］

強い相互作用

強い相互作用のなかで自然界の形成に重要な役割を果たすのは、原子核の結合を与える核力である。強い相互作用の到達距離は短く、π(パイ)中間子のコンプトン波長に近い1フェムトメートル（1000兆分の1メートル）程度である。結合定数（無次元化された値）は粒子の組合せで若干変動するが、微細構造定数の約100倍、すなわち1程度である。一般に強い相互作用は、バリオン（核子と同族の重い粒子の総称）と媒介粒子の中間子の場の間の湯川型結合を基本形として表される。ハドロン（強い相互作用をする素粒子）がクォークからなり、「色」の自由度（スピンや荷電など従来考えられてきたものとは別の内部自由度で、象徴的な意味で「色」という）について「無色」の状態であり、この「色」の自由度が強い相互作用の源泉である。

［玉垣良三・植松恒夫］

弱い相互作用

弱い相互作用は、原子核のβ(ベータ)崩壊におけるようにレプトン（電子、μ(ミュー)粒子、ニュートリノなどの総称。軽粒子ともいう）が関与する遷移過程、およびレプトンが関与しない素粒子の遅い崩壊過程を引き起こす。相互作用の到達距離は100分の1フェムトメートル以下と極端に小さく、結合定数は10万分の1程度と小さい。弱い相互作用は、レプトン部分とハドロン部分からなる四次元の流れ（カレント）の積の形式（フェルミ型とよぶ）にまとめられ、結合定数は関与する粒子の組合せによらない普遍性をもっている。ハドロンがクォークからできているので、このように表された相互作用のハドロン部分はクォークの場で記述されるべきもので、弱い相互作用による素粒子の相互転化は、クォークとレプトンを基にして記述されることになる。

［玉垣良三・植松恒夫］

重力相互作用

重力相互作用は、質量が小さい素粒子間ではきわめて小さく、たとえば互いに1フェムトメートル離れた二つの陽子間の重力ポテンシャルは核力に比して10^-38倍程度小さく、これが結合定数の相対比とみなせる。しかし、巨視的スケールでは、すべての粒子からの寄与が加算的となるので、大きい効果をもたらす。重力の理論は、時間・空間が単なる「入れ物」ではなく物質の存在とかかわる力学的内容をもつとの考えに基づくアインシュタインの一般相対性理論に基礎を置いている。これによれば、計量テンソルが定数でないことが重力相互作用の存在を意味している。

［玉垣良三・植松恒夫］

相互作用の統一

素粒子物理学の進展によって、物質の基本構成要素がクォークとレプトンであるとの認識が確立するとともに、これらの基本相互作用の統一的記述の可能性が開けてきた。まず、1967年に提唱された弱・電磁統一理論のワインバーグ‐サラム模型がその端緒となった。ゲージ場として三つ組（W⁺、W^-、W⁰）ともう一つのB⁰が基本的な場として導入される。W^±ボソンは荷電を伴う弱い相互作用を媒介する。W⁰とB⁰の重ね合せで光子とZ⁰ボソンが生じて、前者は電磁相互作用を、後者は中性カレントによる弱い相互作用を媒介する。ゲージ場は一般に質量ゼロのベクトル粒子に対応するが、ヒッグス機構（対称性の自発的破れに起因しゲージボソンが質量をもつこと）によって、W^±やZ⁰が大きい質量（陽子の約90倍）をもつため、低いエネルギーでの弱い相互作用は電磁相互作用と見かけは極端に異なってくる。1973年に中性カレント反応が、1983年にはW^±とZ⁰が観測されて、弱・電磁統一理論は実験的に確認された。1970年代に入って、強い相互作用は、「色」の自由度を媒介するグルーオン場（3色をもつクォークに対応して8種類のベクトル場）がゲージ場となり、クォークとグルーオンの量子「色」力学によって記述される、との見通しがえられるようになった。そこで強い相互作用と弱・電磁相互作用を、非可換ゲージ理論という共通の枠組で統一的に記述する研究が進展した。エネルギーが10¹⁵GeV（陽子静止エネルギーの約1000兆倍）程度に上ると、それまで分化していた相互作用が共通の強さになる。大統一理論とよばれるこの枠組は、バリオン数を保存しない相互作用を含み、陽子も不安定（ただし10³¹年ほどと長寿命）であることを予言する。1980年ころより陽子崩壊の実験的研究が行われ、10³³年以上の寿命と考えられているが、2013年時点でまだ陽子崩壊は観測されていない。またこの理論は、宇宙における物質の起源（粒子―反粒子非対称）を理解する可能性も与える。さらに重力理論もゲージ理論として定式化しうるので、将来には統一した視点と方法によって四つの基本相互作用を記述できる期待がもたれ、その理論構築の試みが進められている。

［玉垣良三・植松恒夫］

『武田暁著『基礎物理学選書　素粒子』（1986・裳華房）』▽『牧二郎・林浩一著『素粒子物理』（1995・丸善）』▽『パリティ編集委員会・大槻義彦編、益川敏英著『いま、もう一つの素粒子論入門』（1998・丸善）』▽『村山斉著『宇宙は何でできているのか――素粒子物理学で解く宇宙の謎』（幻冬舎新書）』