すべては何でできているのでしょうか?この疑問が、歴史上最も成功した科学理論を生み出しました。

もし、リンゴや、今あなたの周りにあるものを小さな破片に分割できたら、最終的に何が得られるでしょうか?

2,000年以上も前に、古代ギリシャの哲学者たちはすでにこの問題について考えていました。かつて、水、火、土、空気の 4 つの要素が世界を構成する基本単位であると信じられていました。しかし、物理学者たちがより小さな距離スケールを探求できるようになると、1970年代についには標準モデルと呼ばれる史上最も成功した科学理論が開発されました。この目立たない名前は、おそらく標準モデルに多大な貢献をしたスティーブン・ワインバーグが 50 年前の講義で初めて言及したものです。

簡単に言えば、標準モデルは、すべてのものを構成する基本粒子の特性（質量、電荷、スピンなど）と、それらが互いにどのように相互作用するかを説明します。ここで言う素粒子とは、それ以上分割できない粒子のことです。では、標準モデルにはどのような素粒子が含まれているのでしょうか?

私たちは、すべてのものが実は非常に小さな原子で構成されていることを知っています。原子はほとんどの人がよく知っているものです。中心に原子核があり、その周りを電子が回っています。電子は最初に発見された素粒子であり、電気、磁気、熱伝導率などの物理現象において重要な役割を果たします。しかし、核は基本的なものではありません。原子核は陽子と中性子で構成されており、その質量は電子の約 1,800 倍です。

すべてのものは原子で構成されており、原子は電子と原子核で構成されています。 （図・原理）

しかしその後、物理学者は陽子と中性子も素粒子ではなく、実際にはアップクォーク（u）とダウンクォーク（d）で構成されていることを発見しました。陽子は 2 つのアップクォークと 1 つのダウンクォークで構成され、中性子は 1 つのアップクォークと 2 つのダウンクォークで構成されます。

陽子と中性子はどちらもクォークで構成されています。しかし、これは実際には簡略化された図です。実際のところ、内部は非常に複雑です。 （図・原理）

驚くべき事実は、あなたや私、地球上に住む猫、あるいは遠くの惑星、星、星間ガスであっても、それらはすべてアップクォーク、ダウンクォーク、電子で構成されているということです。これら 3 つの基本粒子がさまざまな方法で混ざり合って、今日私たちが目にするすべてのものが形成されています。

今日私たちが目にするすべてのものは、アップクォーク（u）、ダウンクォーク（d）、電子（e）で構成されています。 （図・原理）

これら 3 つの粒子のうち、電子はレプトンです。電子に加えて、ニュートリノと呼ばれる非常に軽くて電荷を持たないレプトンも存在します。この粒子についてあまりよく知らない、あるいは私たちとは何の関係もないと思っている人もいるかもしれませんが、実際には、毎秒何兆ものニュートリノが私たちの体を通り抜けていますが、私たちはそれを感じることができません。物質とほとんど相互作用しないため、ゴースト粒子と呼ばれることもあります。太陽から放出されたニュートリノは地球を容易に通過するため、これらの粒子を捕獲することは非常に困難です。

電子とニュートリノ（ν）はどちらもレプトンです。 （図・原理）

現在、基本粒子は 4 つあり、宇宙に必要なのはこれら 4 つの粒子だけであるようです。しかし物理学者は、これら 4 つの粒子は物質粒子の 3 世代のうちの最初の世代に過ぎないことを発見しました。

物質粒子の3世代。 （図・原理）

標準モデルには、第 2 世代および第 3 世代の物質粒子も含まれます。物質粒子の各世代は、前の世代よりも重くなります。たとえば、ミューオンとタウオンは電子とまったく同じですが、はるかに重いです。ミューオンの質量は電子の約 206 倍ですが、タウは電子の 3,000 倍以上重いです。

質量が大きいことを除けば、ミューオンとタウ粒子は電子とまったく同じように見えます。 （図・原理）

しかし問題は、日常生活では、第二世代や第三世代の粒子によって形成された珍しい花や植物を目にすることがないということです。これらの重い粒子は生成できますが、非常に不安定であり、すぐに第一世代の粒子に崩壊します。宇宙は、2 つの重い世代の粒子がなくても問題なく機能しているように見えますが、ではなぜ 3 つあるのでしょうか。これは物理学の大きな謎の一つです。

フェルミオン、つまり物質粒子には、クォークとレプトンが含まれます。 （図・原理）

さて、これで私たちはすべてのものを構成するこれらの基本粒子について知りましたが、それらはどのように相互作用するのでしょうか?ここで、標準モデルにおける別の種類の粒子、つまり力を運ぶ粒子であるゲージボソンについて触れなければなりません。自然界には、重力、電磁気力、強い力、弱い力という 4 つの基本的な力が知られています。標準モデルは、重力の他に、力を運ぶ粒子の交換を通じて実現される 3 つの力を説明しています。

たとえば、2 つの負に帯電した電子が出会うと、電磁力によって互いに反発します。実際には、一方の電子が光子を放出し、もう一方の電子がそれを吸収することで、光子が交換されます。言い換えれば、光子は電磁力の力を運ぶ粒子です。

光子（𝛾）は電磁力の力を運ぶ粒子です。 （図・原理）

先ほど、陽子と中性子は 3 つのクォークで構成されていると述べました。では、どのような力がクォークをしっかりと結合させ、分離させないのでしょうか?答えは強い力であり、電磁力が光子によって伝達されるのと同じように、強い力はグルーオンと呼ばれる力を運ぶ粒子によって伝達されます。グルーオンは「色荷」を帯びているため、同じく色荷を帯びるクォークと相互作用することができます。

グルーオン（g）は1979年に発見された、強い力を運ぶ粒子です。 （図・原理）

弱い力は強い力と同様に、非常に小さなスケールで作用します。陽子や中性子の内部では、弱い力によってクォークの種類を切り替えることができます。たとえば、弱い力は中性子内のダウンクォークをアップクォークに変換し、中性子を陽子に変えることができます。中性子が原子核内にある場合、この変換により原子は別の元素になります。弱い力に関連する力を運ぶ粒子は、W ボソンと Z ボソンと呼ばれます。

1983年、物理学者は弱い力を運ぶ粒子であるWボソンとZボソンを発見しました。 W ボソンは電荷を運ぶ唯一のゲージボソンです。 （図・原理）

さて、標準モデルにはまだ触れていない基本粒子が 1 つあります。それは 2012 年に最後に発見されたヒッグス粒子と呼ばれる粒子です。粒子に質量を与えるので非常に特別です。それがなければ、電子とクォークは質量のない光子のようになります。

標準モデルは、12 個の物質粒子、4 個のゲージ粒子、ヒッグス粒子の合計 17 個の基本粒子で構成されています。

ヒッグス粒子は標準モデルで最後に発見された粒子でした。 （図・原理）

覚えておかなければならないのは、標準モデルを粒子の観点から説明したばかりですが、実際には非常に複雑な量子場理論の観点から書かれているということです。量子場理論では、粒子よりもさらに基本的なのは、より抽象的な響きを持つ「場」です。各粒子には、クォーク場、電子場、ヒッグス場などの対応する場があり、これらの場が空間全体を満たしています。粒子間の相互作用は、実際にはさまざまな量子場間の相互作用です。たとえば、電子はヒッグス場と相互作用することで質量を増加させます。

標準モデルのラグランジアン。標準モデル内のすべての素粒子とそれらの相互作用を記述します。 （写真/トーマス・グティエレス）

標準モデルは、おそらくこれまでに作成された科学理論の中で最も成功した理論です。場合によっては、その予測は小数点以下 12 桁まで実験結果と驚くほどよく一致します。これは他の分野では想像もできないことです。

標準モデルは大きな成功を収めてきましたが、答えられない疑問はまだたくさんあります。たとえば、3 つの基本的な力のみが説明されており、重力は含まれていません。また、暗黒物質と暗黒エネルギーが何であるかを説明することもできません。また、私たちが住んでいる宇宙が反物質ではなく物質によって支配されている理由も説明できません。したがって、標準モデルを超える実験的証拠を見つけることが、多くの物理学者にとって最優先事項となっています。しかし、これは決して簡単な仕事ではありません。今私たちにできることは、好奇心を持ち続け、暗闇の中を手探りで進んでいくことだけです。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

チーム: プリンシパル

査読者: 張双南、中国科学院高エネルギー物理研究所研究員

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司