中性電流

弱い中性カレント相互作用は、素粒子が弱い力によって相互作用する方法の一つです。これらの相互作用はZボソンによって媒介されます。弱い中性カレントの発見は、電磁気学と弱い力を電弱力に統合するための重要な一歩となり、 WボソンとZボソンの発見につながりました。

簡単に言えば

弱い力は原子核崩壊における役割で最もよく知られています。その範囲は非常に短いですが、（重力を除けば）ニュートリノと相互作用する唯一の力です。他の素粒子力と同様に、弱い力は交換粒子を介して媒介されます。弱い力の交換粒子の中で最もよく知られているのは、おそらくベータ崩壊に関与するW粒子でしょう。W粒子は電荷を持ち、正と負の両方のW粒子があります。しかし、Zボソンも弱い力の交換粒子ですが、電荷を持ちません。

Zボソンの交換は、運動量、スピン、エネルギーを伝達しますが、相互作用する粒子の量子数（電荷、フレーバー、重粒子数、レプトン数など）は影響を受けません。電荷の移動が伴わないため、「中性電流」という表現では、Z粒子の交換は「中性」と呼ばれます。しかし、ここでの「電流」という言葉は電気とは関係がなく、単にZ粒子の交換を指しています。^[1]

Z ボソンの中性電流相互作用は、弱電荷と呼ばれる派生量子数によって決定され、これはW ボソンとの相互作用に対して弱アイソスピンと同様に機能します。

意味

相互作用の名前の由来となった中性電流は、相互作用する粒子の電流です。

例えば、 $νへの中性電流の寄与は e e -$ → $ν e e -$ 弾性散乱振幅は

{\mathfrak {M}}^{\mathsf {NC}}~\propto ~J_{\mu }^{\mathsf {(NC)}}(\nu _{\mathrm {e} })\;J^{{\mathsf {(NC)}}\ \mu }(\mathrm {e^{-}} )\ ,

ここで、ニュートリノと電子の流れを記述する中性電流は次のように与えられる： ^[2]

J^{{\mathsf {(NC)}}\ \mu }(f)={\bar {u}}_{f}\ \gamma ^{\mu }\ {\frac {1}{2}}\left(g_{\mathsf {V}}^{f}-g_{\mathsf {A}}^{f}\ \gamma ^{5}\right)\ u_{f}\ ,

ここで：^[2]

g_{\mathsf {V}}^{f}=T_{3}(f)-2\sin ^{2}\theta _{\mathsf {W}}\ Q(f)={\frac {1}{2}}\ Q_{\mathsf {W}}(f)

およびはフェルミオンのベクトル結合と軸結合であり、フェルミオンの弱アイソスピン、 $Q$ はフェルミオンの電荷、弱電荷を表します。これらの結合は、ニュートリノの場合は基本的に左カイラル、荷電レプトンの場合は軸結合となります。 $\ g_{\mathsf {A}}^{f}=T_{3}(f)\$ $\ f~.$ $\ T_{3}\$ $\ Q_{\mathsf {W}}\$

Zボソンは、グルーオンと光子を除く標準モデルのあらゆる粒子と結合することができます（ステライルニュートリノも、もし存在すると判明したとしても例外となります）。しかし、仮想Zボソンの交換を介して起こり得る2つの荷電粒子間の相互作用は、仮想光子の交換を介しても起こり得ます。相互作用する粒子のエネルギーがZボソンの質量（91 GeV）と同程度かそれ以上でない限り、仮想Zボソンの交換は、電磁過程の振幅にわずかな補正効果をもたらします。 $\ (E/M_{\mathrm {Z} })^{2}\ ,$

中性カレント相互作用を観察し、Zボソンの質量を測定するために必要なエネルギーを持つ粒子加速器は、 1983年まで利用できませんでした。

一方、ニュートリノが関与するZボソン相互作用には独特の特徴があります。これは、物質中におけるニュートリノの弾性散乱の唯一の既知のメカニズムです。ニュートリノは、弾性散乱（Zボソン交換）と非弾性散乱（Wボソン交換）の確率がほぼ同じです。この効果は、サドベリー・ニュートリノ観測実験などのニュートリノ観測実験において大きな意味を持ちます。

弱い中性カレントは、アブドゥス・サラム、ジョン・クライヴ・ワード、シェルドン・グラショー、スティーブン・ワインバーグが中心となって開発した電弱理論によって予測され、^{[3]その後まもなく1973年に}CERNのガルガメル泡箱で行われたニュートリノ実験で確認されました。

参照

参考文献

^ Nave, R. 「中性電流」 GSU.
^ ab 「講義11 - 弱い相互作用」（PDF） . 素粒子物理学（コースノート）.エディンバラ大学. p. 7. 2021年5月20日閲覧。
^ 「1979年のノーベル物理学賞」ノーベル財団。 2008年9月10日閲覧。nobel.seより。

外部リンク

「弱い中性電流の発見」CERN Courier 2004年10月3日。2011年5月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年3月10日閲覧。
「ガルガメル」CERNパブリックウェブサイト。研究。2011年8月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年8月27日閲覧。
「中性カレント相互作用」ブリタニカ。
Nave, R.「中性電流」GSU.
Nieves, J.; Valverde, M.; Vicente Vacas, MJ (2006). 「荷電ニュートリノおよび中性カレントニュートリノ誘起核子放出反応」(PDF) . Acta Physica Polonica B. 37 ( 8): 2295– 2301. arXiv : hep-ph/0605221 . Bibcode :2006AcPPB..37.2295N. 2012年1月21日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
「ガルガメル」.シンメトリーマガジン. 2009年7月7日.
フレイザー、ゴードン（1998年11月3日）「中性電流の25年間」CERN Courier 27904。2011年11月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年8月27日閲覧。ゴードン・フレイザーが、中性電流の存在確認が物理学の新たな理解をどのようにもたらしたかを振り返る。
フェンカート、サンジェ（2023年7月3日）「CERNのニュートリノ探究の旅」CERN Courier。サンジェ・フェンカートが中性電流の発見50周年を振り返る。
パディーヤ、アントニオ（トニー）.ブレイディ・ハラン（編）. 「ガルガメルと中性電流」. 60のシンボル.ノッティンガム大学.

[1] Nave, R. 「中性電流」 GSU.

[ScatAmp-2] 「講義11 - 弱い相互作用」（PDF） . 素粒子物理学（コースノート）.エディンバラ大学. p. 7. 2021年5月20日閲覧。

[3] 「1979年のノーベル物理学賞」ノーベル財団。 2008年9月10日閲覧。nobel.seより。