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2008年のノーベル物理学賞は、南部陽一郎氏、小林誠氏、益川敏英氏に授与されることになりました。ここでは、3氏の受賞内容に共通する"素粒子物理学における「対称性の破れ」"について、物理学の研究者以外の一般向けに比較的平易に解説している資料を3氏による著作を中心に紹介します。なお、【 】内は当館請求記号です。


[目次]
1. 素粒子物理学における「対称性の破れ」とは
2. 主な一般向け図書
 2.1. 受賞者執筆による主な解説書
 2.2. 受賞者以外の執筆による主な一般的解説書
3. 主な一般向け雑誌記事・論文
 3.1. 受賞者執筆による主な雑誌記事・論文
 3.2. 受賞者以外の執筆による主な解説記事・論文
4. 主な一般向けインターネット情報源


1. 素粒子物理学における「対称性の破れ」とは

 2008年10月7日、スウェーデン王立科学アカデミーは、2008年のノーベル物理学賞を、南部陽一郎氏(シカゴ大学エンリコ・フェルミ研究所)、小林誠氏(高エネルギー加速器研究機構(KEK、筑波))、益川敏英氏(京都大学)に授与することを決定しました。日本人三名がノーベル物理学賞を同時受賞するという史上初の快挙です(注:南部陽一郎氏の現在の国籍は米国となっており、海外では日本人三人が受賞という報道はなされていません)。各氏の受賞理由は、南部陽一郎氏が「素粒子物理学と核物理学における自発的対称性の破れの発見」、小林誠氏と益川敏英氏(共同研究)が「クォークが自然界に少なくとも三世代以上あることを予言する、対称性の破れの起源の発見」となっており、素粒子物理学における「対称性の破れ」を扱い、現在の素粒子物理学の理論的な基盤になっている研究であることが共通しています。

 南部陽一郎氏は、多くの物理法則について成り立つ空間的・時間的対称性を自明のことではなく、あくまで仮定にすぎないものと捉え、素粒子物理学の世界では、この対称性が破れることで物質が質量を有することを説明できるという論理を展開しました。1960年に定式化したこの考え方は、固体物理学の世界で超伝導現象を説明するBCS理論のアナロジーを素粒子物理学の世界に持ち込んだ点でも興味深く、自然界に存在する四種類の力(重力、電磁力、強い力、弱い力)のうち3つの力を統一する素粒子物理の標準模型の基盤を成している考え方です。

 一方、小林誠氏と益川敏英氏が1972年に説明した「CP対称性の破れ」は、南部陽一郎氏の考えた「対称性の破れ」とは別種のもので、約140億年前のビッグバンで宇宙が誕生した際に生成されたとする物質と反物質の間に対等な関係が成り立っていないとする考え方です。CP対称性のCは電荷共役(charge conjugation)変換(粒子と反粒子を入れ替える変換)、Pはパリティ(Parity)変換(空間反転させる変換)を指します。物質と反物質の間に対等な関係が成り立ち、宇宙誕生時に物質を構成する粒子と反物質を構成する反粒子が同数生成されたと仮定すると、粒子と反粒子が出会い対消滅してしまうため、現在の宇宙に物質が存在することが説明できません。「CP対称性の破れ」の考え方では、粒子と反粒子の間にわずかな差異があり、反粒子よりも粒子の方が100億個に1個の割合で多いために現在の宇宙が存在するとしています。小林誠氏と益川敏英氏は、素粒子物理学の標準模型の枠組みで、この「CP対称性の破れ」を理論的に説明することを試み、素粒子を構成している基本粒子と考えられているクォークは、当時主流であった2世代4種類ではなく、3世代6種類以上存在することを予言しました。6種類のクォークの存在については1995年に実験的に確認され、CP対称性の破れについても2001年に実験的に検証され、小林誠氏と益川敏英氏両氏の理論が正しい理論であったことが実証されました。

※ 南部陽一郎氏のノーベル賞受賞論文

(1) Nambu, Y. and Jona-Lasinio, G「Dynamical Model of Elementary Particles Based on an Analogy with Superconductivity. I」(『Physical Review』 122(1) (1961) pp.345-358 【Z53-A383】)
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(2) Nambu, Y. and Jona-Lasinio, G.「Dynamical Model of Elementary Particles Based on an Analogy with Superconductivity. II」(『Physical Review』 124(1) (1961) pp.246-254  【Z53-A383】)
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※ 小林誠氏、益川敏英氏の受賞論文

(3) Kobayashi, M. and Maskawa, T.「CP-Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction」(『Progress of Theoretical Physics』 49(2) (1973) pp.652-657 【Z53-A468】)
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参照:
「2008年ノーベル物理学賞」外部サイトへのリンク(ノーベル財団プレスリリース)
『日本の科学者最前線: 発見と創造の証言』国立国会図書館の所蔵情報へのリンク【M33-G24】 「南部陽一郎」氏(pp.279-284)、「小林誠/益川敏英」両氏(pp.285-290)
『クォーク : 素粒子物理はどこまで進んできたか』国立国会図書館の所蔵情報へのリンク【MC55-G17】
『消えた反物質:素粒子物理が解く宇宙進化の謎』国立国会図書館の所蔵情報へのリンク【MC55-G12】
『科学技術白書』国立国会図書館の所蔵情報へのリンク(平成19年版 【Z74-D634】) 第1部「第1章 科学技術の振興の成果>第2節 人類の知的資産の創造−知の創造−>2.宇宙と物質の謎を探る外部サイトへのリンク」(文部科学省) 
『Maruzen物理学大辞典』国立国会図書館の所蔵情報へのリンク【MC2-G13】 「CPの破れ」(pp.628-632)、「クォーク」(pp.342-349)


2. 主な一般向け図書

2.1. 受賞者執筆による主な解説書

『クォーク : 素粒子物理はどこまで進んできたか』国立国会図書館の所蔵情報へのリンク(南部陽一郎著 第2版 講談社 1998 【MC55-G17】)
 クォークとは、素粒子を構成するとされている基本粒子のことです。より詳しく言うと、強い相互作用を行う粒子であるハドロン(原子核を構成する陽子、中性子、中間子の総称)を構成するものです。現在では、6種類の存在が確認されています。本書は、素粒子物理学の発展を辿って、「クォークとは何か」を解説し、標準理論を総括するものです。「1 素粒子とは」から「24 素粒子物理学のゆくえ」まで、全24章から成ります。「17 対称性の自然破綻」(p.211-221)で'対称性の自発的破れ'を扱っています。サラムの比喩(宴会の丸テーブルで一人が自分の右にあるナプキンを取ると全員が右のナプキンを取ることになり対称性が破れること)を使った説明や超伝導現象とのアナロジーへの言及もなされています。

『素粒子の宴』国立国会図書館の所蔵情報へのリンク(工作舎 1979 【MC55-16】)
 南部陽一郎氏と、カリフォルニア工科大学准教授(当時)のデビッド・ポリツァー氏による素粒子物理学をテーマとした対談を収録した資料です。全9章から成るうち、「2 反対称に憧れる自然」(p.24-42)で、'対称性の自発的破れ'に関わる議論が為されています。巻末に、南部陽一郎氏とデビッド・ポリツァー氏の主要論文一覧が掲載されています。なお、デビッド・ポリツァー氏は、2004年度に、強い相互作用の理論における漸近的自由性の発見によってノーベル物理学賞を受賞しています。

『消えた反物質:素粒子物理が解く宇宙進化の謎』国立国会図書館の所蔵情報へのリンク(小林誠 講談社 1997 ブルーバックスシリーズ 【MC55-G12】)
 タイトルには明示されていませんが、'CP対称性の破れ'を主題とした一般向け啓蒙書です。「第1章 反粒子」から「第6章 宇宙はなぜ物質でできているか」までの6章から成り、各章では、'CP対称性の破れ'に関連するトピックスについて、概念を説明するだけでなく、それらの発見に至る経緯も解説しています。反粒子の発見、素粒子の次々の発見、標準理論の完成、K中間子における'CP対称性の破れ'の発見、BファクトリーによるCP対称性の破れの発見という重要な発見ごとに解説が為されています。

『現代の物質観とアインシュタインの夢』国立国会図書館の所蔵情報へのリンク(益川敏英著 岩波書店 1995 【MC55-G1】)
 数式をほとんど用いず、素粒子論について解説した啓蒙書です。理論だけでなく、どのような実験や推論によりそれが導かれるかをも解説しています。素粒子論を扱った一般的な資料と異なり、ニュートン力学から解説を始めています。'CP対称性の破れ'については、「5. ゲージ理論」の「CPの破れはクォークが6種類以上あると可能」(p.98-102)で言及されています。

『いま,もう一つの素粒子論入門』国立国会図書館の所蔵情報へのリンク(益川敏英著 丸善 1998 【MC55-G23】)
 素粒子論に関する知見をまとめた入門書です。ただし、説明には数式を多く用いているため、「入門」とはなっていますが、大学教養課程レベルの解析力学、電磁気学、量子力学の知識が必要とされています。大学で物理学を専攻する学生に向けた入門書と考えた方がよいでしょう。'CP対称性の破れ'については、「12章 標準模型と展望」の「12.1 CPの破れと6元クォーク模型」(pp.139-143)で言及されています。

●『大学院素粒子物理』(講談社 1997-1998 【MC55-G7】)
 大学理工系学部の高学年から大学院修士課程の学生を読者として想定している資料で、「第1巻 素粒子の基本的性質」国立国会図書館の所蔵情報へのリンク「第2巻 新領域の開拓」国立国会図書館の所蔵情報へのリンクから構成されています。広く一般向けの資料ではありませんが、第1巻に南部陽一郎氏による「第1章 素粒子物理学の地平」(pp.1-53)という総説が掲載されているため、紹介します。「素粒子物理学におけるパラダイム」、「問題点および論点」、「超対称性」、「推測的展望」、「追補」の5項から成り、対称性の破れについては、「素粒子物理学におけるパラダイム」の中の「対称性および対称性の破れ」(pp.8-10)で概説しています。CP対称性や小林・益川理論については、「第5章 時空の対称性」(政池明 pp.231-276)に解説がありますが、こちらは『大学院素粒子物理』というタイトルどおり、量子力学等の知識が大前提とされています。


2.2. 受賞者以外の執筆による主な一般的解説書

 当館所蔵資料で請求記号にMC55(素粒子論)が付与されている和図書のうち、1998年以降に刊行されている資料の中から、比較的平易に「素粒子物理学における'対称性の破れ'」について解説されている資料を以下に紹介します。

『失われた反世界 : 素粒子物理学で探る : 第16回「大学と科学」公開シンポジウム講演収録集』国立国会図書館の所蔵情報へのリンク(クバプロ 2002.10 【MC55-H2】)
 1997年から2000年にわたり、文部科学省科学研究費補助金により研究された"文部科学省特定領域研究(A)「CP非保存」の物理"(研究代表:名古屋大学大学院理学研究科 三田一郎教授)の研究成果報告として、第16回「大学と科学」公開シンポジウムで行われた講演の講演論文集です。公開シンポジウムで発表された内容らしく一般の人にもわかりやすい記述となっています。対称性の破れについては、以下の講演で取り上げられているようです。なお、いずれの講演においても末尾にQ&Aがついており、論文等では紹介されないような具体的な情報が記載されています。
・「反世界とは」(三田一郎 pp.19-32)
→ 反粒子とは何かから始め、反宇宙が存在しない理由からCP対称性の破れへと論理を展開しています。K中間子系でのCP対称性の破れや2001年7月に高エネルギー加速器研究機構で行われた実証実験についても言及されています。
・「実験物理−素粒子世界≠反素粒子世界を証明した」(相原博昭 pp.78-85)
→ 高エネルギー加速器研究機構で行われたbクォークと反bクォークの間の対称性の破れを検証する実験について報告しています。
・「素粒子と宇宙創成」(池内了 pp.88-101)
→ 宇宙創成時の対称性の破れについて解説しています。
・「素粒子、反素粒子世界の違いは何を教えるのか?」(日笠健一 pp.102-111)
→ 反粒子の存在について説明した後、CP対称性の破れに対する小林・益川理論について言及しています。

『素粒子と原子核を見る』国立国会図書館の所蔵情報へのリンク(大阪大学出版会 2001.6 【MC55-G50】)
 大阪大学で行われている最先端の研究を、学生、一般社会人、異分野の研究者などを対象に、できるかぎり易しく解説することを目指す大阪大学新世紀セミナーシリーズ中の一冊です。「物質と反物質の非対称性」(=CP対称性の乱れ)のほか、宇宙に存在する四つの基本的な力の統一理論の有力候補である「超弦理論」、宇宙をみたしている「ダークマター」、その他「原子核にまつわる話題」を取り上げています。対称性の破れについては、「第一部 素粒子を見る」の「第二章 対称性の破れとあまんじゃく」(山中卓 pp.18-28)に取り上げられています。小林・益川理論にも簡単にではありますが、言及されています。

『図解雑学素粒子・クォークのはなし』国立国会図書館の所蔵情報へのリンク(ナツメ社 2003.8 【MC55-H13】)
 図を多用して特定のテーマについてトピック単位で解説するナツメ社の図解雑学シリーズの一冊です。右ページに図、左ページにその解説という構成になっており、素粒子とクォークに関する初歩的な知識から専門性の高い知識まで取り上げています。「第4章 素粒子からクォークの世界へ」にCP対称性の乱れについて取り上げた以下の項目があります。
・「小林・益川の3世代標準模型とCPの乱れ」(pp.152-153)
・「ボトム(b)粒子の発見とCPの破れ」(pp.156-157)

『絵でわかるクォーク』国立国会図書館の所蔵情報へのリンク(小暮陽三著 日本実業出版社 1998.7 【MC55-G22】)
 前述の『図解雑学素粒子・クォークのはなし』同様、図を多用してクォークについて解説しています。光が波と粒子の二面性をもつことや量子力学における不確定性原理などクォークを知るための基礎知識から解説を始め、標準理論や各種素粒子までを扱っています。CP対称性の乱れについては、「CP保存」の項(pp.122〜123)で取り上げており、C変換とP変換を図示して説明しています。

『素粒子物理学』国立国会図書館の所蔵情報へのリンク(朝倉書店 2000.9 【MC55-G33】)
 素粒子標準模型を概説した教科書です。教科書とはいうものの前提としている知識は、「理工系学部の1年生レベルの物理と数学、それに量子力学の初歩の知識で十分」(まえがきより)と記載されているとおり、理論物理学の教科書にしては平易な記述になっています。対称性の破れについては、「7. 対称性の破れ」(pp.112-123)で取り上げられており、対称性のあからさまな乱れと自発的な乱れに分けて解説しています。


3. 主な雑誌一般向け雑誌記事・論文

3.1. 受賞者執筆による主な雑誌記事・論文

●南部陽一郎「素粒子物理学、その現状と展望-1-」国立国会図書館の所蔵情報へのリンク(『科学』 54(6) 1984.6 pp.332-340 【Z14-72】)
●南部陽一郎「素粒子物理学、その現状と展望-2-」国立国会図書館の所蔵情報へのリンク(『科学』 54(8) 1984.8 pp.503-511 【Z14-72】)
●南部陽一郎「素粒子物理学、その現状と展望-3-」国立国会図書館の所蔵情報へのリンク(『科学』 54(9) 1984.9 pp.557-562 【Z14-72】)

 1982年11月にテキサス大学で開催されたソルベイ会議での南部陽一郎氏の講演'Concluding Remarks'の内容が、『Physics Reports』国立国会図書館の所蔵情報へのリンク(104(2-4) 【Z53-S114】)のpp.237-258に掲載され、その記事を翻訳・転載した雑誌記事です。タイトルのとおり、素粒子物理学の現状と展望を概観しています。「I」では、素粒子物理学における4つの基本的パラダイム、すなわち「新粒子導入によるモデル構築」、「くりこみ可能な場の量子論」、「対称性とその破れ」、「ゲージ原理と力の統一」について解説しています。「II」、「III」では、素粒子物理学研究が当面する4つの問題が提示され、考察されています。4つの問題は、「量子力学に関する一般的疑問」、「くりこみ理論の限界」、「拡がった対象の量子論」(以上「II」)、「超対称性」(「III」)です。「II」と「III」については、解析力学や量子力学の知識が前提とされており、広く一般向けの啓蒙的記事という性格の記事ではありません。

●小林誠「CP対称性の破れ」国立国会図書館の所蔵情報へのリンク(『学術月報』 55(10) (通号695号) 2002.10 pp.952-954 【Z21-50】)
 'CP対称性の破れ'について、理論とその発見の経緯をコンパクトにまとめたものです。反粒子の発見からB中間子におけるCP対称性の破れの発見までを概観しています。「特集:素粒子研究--標準理論を超える」国立国会図書館の所蔵情報へのリンクという特集の一部で、特集の中には、B中間子におけるCP対称性の破れを実験により検証する目的で高エネルギー加速器研究機構(KEK)が建設したBファクトリーでの成果を記述した「BファクトリーでのCP対称性の破れの発見」国立国会図書館の所蔵情報へのリンク(高崎史彦 pp.955-960)という論文も掲載されています。

●小林誠「電弱統一理論完成の道のり」国立国会図書館の所蔵情報へのリンク(『数理科学』 45(11) 2007.11 pp.5-8 【Z15-30】)
 「電弱統一理論:素粒子物理学発展のキーワードを巡って」という特集の巻頭を飾る文章です。電弱統一理論とはいかなるものであるか、およびその成立の歴史を平易に解説しています。電磁相互作用とベータ崩壊などを引き起こす弱い相互作用を統一的に記述する電弱統一理論は、素粒子の標準模型の根幹を成す理論の一つで、1970年代初めには、ほぼ現在の形にまとめ上げられていますが、その道のりにおいて、対称性の破れという考え方が重要な役割を果たしたことが記載されています。なお、同じ号には、上記の論文以外に、「弱い相互作用の研究と進展」国立国会図書館の所蔵情報へのリンク(林青司 pp.17-22)、「対称性の破れとヒッグス機構」国立国会図書館の所蔵情報へのリンク(東島清 pp.23-28)、「対称性の破れとクォークの質量」国立国会図書館の所蔵情報へのリンク(橋本省ニ pp.36-41)など、対称性の破れに言及した論文が掲載されています。

3.2. 受賞者以外の執筆による主な解説記事・論文

「特集 対称性とその破れ」国立国会図書館の所蔵情報へのリンク(『数理科学』 29(12) 1991.12 pp.5-63 【Z15-30】)
 '対称性の破れ'という現象について、物理学、素粒子物理学、物性物理学、宇宙物理学、生物学、数学等の学問分野ごとに論文を掲載した特集記事です。「素粒子における力学的対称性の破れ」国立国会図書館の所蔵情報へのリンク(菅本晶夫 pp.12-22)では、南部陽一郎氏が発見した'対称性の自発的破れ'についても論じています。


4. 主な一般向けインターネット情報源

高エネルギー加速器研究機構外部サイトへのリンク(http://www.kek.jp/ja/)
 2008年のノーベル物理学賞受賞者の1人である小林誠氏が名誉教授を務める高エネルギー加速器研究機構(KEK:KouEnerugii butsurigaku Kenkyusho)のサイトです。「小林・益川理論」に関する啓蒙的なページも多数掲載しています。「世界を変えた一つの論文 ~小林・益川理論~」外部サイトへのリンク「小林・益川理論の正しさが確認されました」外部サイトへのリンク等のほか、「キッズサイエンティスト:小林・益川理論とは?」外部サイトへのリンクという子ども向けのページも掲載されています。


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