弱い相互作用のソースを表示

[[File:Beta-minus Decay.svg|thumb|放射性[[ベータ崩壊]]は弱い相互作用によるものであり、中性子を陽子、電子、[[電子ニュートリノ|電子反ニュートリノ]]に変換する。]]
{{標準模型}}
'''弱い相互作用'''（よわいそうごさよう、{{lang-en|weak interaction}}、'''弱い力'''や'''弱い核力'''とも呼ばれる）は、[[素粒子物理学]]において4つとされる[[基本相互作用]]のうちの1つである。

弱い相互作用が有効な範囲は陽子の直径よりも小さい距離に限定される。[[核分裂反応|核分裂]]において重要な役割を果たす。

弱い相互作用について、その振る舞いと効果の両方の観点から見る理論は'''量子フレーバーダイナミクス'''('''QFD''')と呼ばれる。なお、[[電弱相互作用|電弱理論]](EWT)の観点からより良く理解されるため、QFDという用語はほとんど使われない<ref name="griffiths">{{cite book|title=Introduction to Elementary Particles|last=Griffiths|first=David|year=2009|isbn=978-3-527-40601-2|pages=59–60}}</ref>。QFDは[[強い相互作用]]を扱う[[量子色力学]](QCD)および電磁気力を扱う[[量子電磁力学]](QED)に関連している。

==概要==
弱い力は[[強い相互作用]]、[[電磁気学|電磁気力]]、[[重力]]と並ぶ、4つの[[基本相互作用]]のひとつである。素粒子物理学において粒子間の相互作用はボソンの交換として説明される。
<!--
[[素粒子物理学]]の[[標準模型]]は、電磁相互作用、弱い相互作用、強い相互作用を理解するための統一された枠組みを与える。2つの粒子（[[半整数]]の[[スピン角運動量|スピン]]を持つ[[フェルミオン]]であることが一般的だが、必ずしもそうとは限らない）が整数スピンで力を運ぶ[[ボソン]]を交換すると相互作用が生じる。このような交換に関わるフェルミオンは素粒子（例えば[[電子]]や[[クォーク]]）や複合粒子（例えば[[陽子]]や[[中性子]]）のいずれかであるが、最も深いレベルでは全ての弱い相互作用は究極的には[[素粒子]]間の相互作用である。-->

弱い相互作用を媒介するボソンは[[ウィークボソン|W<sup>±</sup>ボソンとZボソン]]とされる。WはWeak、Zは電荷ゼロ（Zero）を由来とする。これらWボソンとZボソンについては、どちらもその[[質量]]が陽子や中性子の質量よりもはるかに大きく、短時間で消滅する。これは弱い力の影響範囲が短いことと整合する。与えられた距離における場の強度が、強い核力や電磁力の場の強度よりも数桁小さいことから、「弱い」力と呼ばれる。なお、[[初期宇宙]]の[[クォーク時代]]に、[[電弱力]]が電磁力と弱い力に分かれたとされ、相互作用の強さは宇宙の状態による。

中性子や陽子などの複合粒子を構成する[[クォーク]]は、アップ、ダウン、ストレンジ、チャーム、トップ、ボトムの6種ある「フレーバー」のうちひとつを帯びており、これが複合粒子に特性を与える。クォーク同士は弱い相互作用により互いのフレーバーを交換する。すなわちクォーク間の特性交換と複合粒子の特性の変化がボソンの媒介によって起きる。例えば[[ベータ崩壊|β<sup>&minus;</sup>崩壊]]中では中性子内のダウンクォークがアップクォークに変化するが、これは中性子が陽子に変わることを意味し、合わせて電子と電子反ニュートリノが放出される。

弱い相互作用は[[パリティ (物理学)|パリティ対称性]]を破る唯一の基本相互作用であり、同様に[[CP対称性の破れ|電荷パリティ対称性]]を破る唯一の相互作用である。

弱い相互作用を伴う重要な現象としては、[[ベータ崩壊]]のほかには恒星の熱核過程である[[恒星内元素合成|水素からヘリウムへの核融合]]がある。

=== ベータ崩壊 ===
ほとんどのフェルミ粒子は時間の経過とともに弱い相互作用により崩壊する。[[炭素14]]は弱い相互作用により[[窒素14]]へと崩壊する。これは[[放射性炭素年代測定]]に利用される。また、これによりトリチウム照明ならびにベータボルタイクスの関連分野で一般的に使われる[[放射線ルミネセンス]]が生成される<ref>{{cite web |url=https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1979/press-release/ |title=The Nobel Prize in Physics 1979: Press Release |work=NobelPrize.org |publisher=Nobel Media |accessdate=22 March 2011}}</ref>。

==歴史==
1933年、[[エンリコ・フェルミ]]は[[フェルミ相互作用]]として知られる弱い相互作用の最初の理論を提唱した。彼は[[ベータ崩壊]]が距離の離れていない接触力を伴う4つの[[フェルミオン]]の相互作用により説明できると提唱した<ref name="Fermi's theory">{{cite journal | title=Versuch einer Theorie der β-Strahlen. I | author=Fermi, Enrico | bibcode=1934ZPhy...88..161F | journal=[[Zeitschrift für Physik A]] | year=1934 | volume=88 | issue=3–4 | pages=161–177 | doi=10.1007/BF01351864}}</ref><ref name="Fermi's theory translation">{{cite journal | title=Fermi's Theory of Beta Decay | author=Wilson, Fred L. | journal=American Journal of Physics |date=December 1968 | volume=36 | issue=12 | pages=1150–1160 | doi=10.1119/1.1974382|bibcode = 1968AmJPh..36.1150W }}</ref>。

しかし、これは非常に短いが有限の範囲を持つ非接触力場としてより良く説明される{{citation needed|date=November 2015}}。1968年、[[シェルドン・グラショー]]、[[アブドゥッサラーム]]、[[スティーヴン・ワインバーグ]]は電磁力と弱い相互作用を、これらが現在電弱力と呼ばれる1つの力の2つの側面であることを示すことで統一した<ref>{{cite web|url=http://www.osti.gov/accomplishments/weinberg.html|title=Steven Weinberg, Weak Interactions, and Electromagnetic Interactions|publisher= |accessdate=2018年7月15日}}</ref><ref name="Salam">{{cite news|url=https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1979/summary/ |work=Nobel Prize |title=1979 Nobel Prize in Physics |archiveurl=https://web.archive.org/web/20140706082221/http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1979/ |archivedate=6 July 2014 |deadurl=no |df=dmy}}</ref>。

[[ウィークボソン|WボソンとZボソン]]の存在は、1983年まで直接確認されなかった<ref name="Cott8">Cottingham & Greenwood (1986, 2001), p. 8</ref>。

==特性==
[[File:Weak Decay (flipped).svg|thumb|right|280px|弱い相互作用による様々な崩壊ルートとその可能性を示す図。線の強度は[[CKM行列]]により与えられる。]]
弱い相互作用は多くの点で独特である。
* クォークの[[フレーバー (素粒子)|フレーバー]]を変える<!--（つまりある種類のクォークから別の種類のクォークに変わる）-->唯一の相互作用である。
* [[パリティ (物理学)|'''P'''すなわちパリティ対称性]]を破る唯一の相互作用である。また、[[CP対称性の破れ|電荷パリティ'''CP'''対称性]]を破る唯一の相互作用である。
* [[ヒッグス機構]]により[[標準模型]]で説明される異常な特徴である、大きな質量を持つ[[ゲージボソン|フォースキャリア粒子]]により媒介（伝播）される。

WボソンやZボソンと呼ばれるこれらのキャリア粒子は質量が大きいため（約90&nbsp;GeV/c<sup>2</sup><ref name="PDG">{{cite journal |author=W.-M. Yao ''et al''. ([[Particle Data Group]]) |year=2006 |title=Review of Particle Physics: Quarks |url=http://pdg.lbl.gov/2006/tables/qxxx.pdf |journal=[[Journal of Physics G]] |volume=33 |pages=1–1232 |doi=10.1088/0954-3899/33/1/001 |arxiv = astro-ph/0601168 |bibcode = 2006JPhG...33....1Y }}</ref>）短命であり、寿命は10<sup>−24</sup>&nbsp;秒未満である<ref>{{cite book |title=Story of the W and Z |author=Peter Watkins |publisher=Cambridge University Press |location=Cambridge |url=https://books.google.com/books?id=J808AAAAIAAJ&pg=PA70 |page=70 |year=1986 |isbn=978-0-521-31875-4}}</ref>。弱い相互作用の[[結合定数 (物理学)|結合定数]]（相互作用の強さの指標）は10<sup>−7</sup>と10<sup>−6</sup>の間であり、強い相互作用の結合定数 1 および[[微細構造定数|電磁相互作用の結合定数]]約 10<sup>−2</sup>と比較すると<ref name="coupling">{{cite web |url=http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/forces/couple.html |title=Coupling Constants for the Fundamental Forces |work=HyperPhysics | publisher =Georgia State University |accessdate=2 March 2011}}</ref>、弱い相互作用は強度の点で弱い<ref name="physnet">{{cite web |url=http://physnet2.pa.msu.edu/home/modules/pdf_modules/m281.pdf |title=The Weak Interaction |author=J. Christman |publisher=Michigan State University |work=Physnet |year=2001 |deadurl=yes |archiveurl=https://web.archive.org/web/20110720004912/http://physnet2.pa.msu.edu/home/modules/pdf_modules/m281.pdf |archivedate=20 July 2011 |df=dmy-all |accessdate=2019-10}}</ref>。クオーク間の距離が約 10<sup>−17</sup>～10<sup>−16</sup>&nbsp;m<ref name="physnet" /> と極めて短いときに弱い相互作用は優位となる<ref name="coupling"/>。10<sup>−18</sup>m くらいの距離では弱い相互作用は電磁力と同じくらいの強さであり、そこからさらに離れると[[湯川ポテンシャル|指数関数的]]に減少する。10<sup>−18</sup>m から 3×10<sup>−17</sup> m まで30倍（1.5 桁）ほど距離が広がったときに弱い相互作用は10,000分の一になる<ref>{{cite web |url=http://www.particleadventure.org/electroweak.html |title=Electroweak |work=The Particle Adventure |publisher=[[Particle Data Group]] |accessdate=3 March 2011}}</ref>。

弱い相互作用は[[標準模型]]の全ての[[フェルミ粒子]]と[[ヒッグスボソン]]に作用する。[[ニュートリノ]]は重力と弱い相互作用のみを介して相互作用し、ニュートリノは「弱い力」の名前の元々の由来であった<ref name="physnet"/>。

弱い相互作用は、重力が[[宇宙の距離梯子|天文学的スケール]]で行ったり、電磁力が原子レベルで行ったり、強い核力が原子核の内部で行ったりすること、つまり[[束縛状態]]を作り出し[[結合エネルギー]]に関与するといったことはしない<ref name="greiner">{{cite book |url=https://books.google.com/books?id=yWTcPwqg_00C |title=Gauge Theory of Weak Interactions |author1=Walter Greiner |author2=Berndt Müller |publisher=Springer |page=2 |year=2009 |isbn=978-3-540-87842-1}}</ref>。

弱い相互作用による最も顕著な効果は、最初の特有な特徴である[[CKM行列|フレーバーの変化]]によるものである。例えば、[[中性子]]は[[陽子]]よりも重いが、中性子はその内部の2つのダウンクォークのうち1つの[[フレーバー (素粒子)|フレーバー]]をアップクォークに変えなければ陽子に崩壊することはない。[[強い相互作用]]も[[電磁気学]]もフレーバーの変化を許さないため、これは'''弱い崩壊'''により進む。弱い崩壊がなければストレンジネスやチャーム（同じ名前のクォークと関連する）などのクォークの性質も、全ての相互作用にわたり保存される。

全ての[[中間子]]は弱い崩壊により不安定である<ref>Cottingham & Greenwood (1986, 2001), p. 29. NB. The neutral pion, however, decays electromagnetically, and several mesons mostly decay strongly, when their quantum numbers allow.</ref>。[[ベータ崩壊]]として知られる過程において、[[中性子]]のダウンクォークは[[仮想粒子|仮想]]のW<sup>-</sup>中間子を放出することでアップクォークに変化し、この中間子はその後[[電子]]と電子[[反ニュートリノ]]に変換される<ref name="Cott28"/>。他の例は、原子内の陽子と電子が相互作用し、中性子に変化し（アップクォークがダウンクォークに変化）、電子ニュートリノが放出される[[放射性崩壊]]の一般的な変形である[[電子捕獲]]である。

Wボソンの質量が大きいため、弱い相互作用に依存する粒子の変換もしくは崩壊（フレーバーの変化など）は、普通、強い力や電磁力のみに依存する変換または崩壊よりもはるかにゆっくり進行する。例えば、電磁的に崩壊する中性[[パイ中間子]]の寿命は約10<sup>−16</sup>秒であるのに対し、弱い相互作用によってのみ崩壊する荷電パイ中間子は寿命約10<sup>−8</sup>秒と中性パイ中間子よりも1億倍ほど長い寿命である<ref name="Cottingham30">Cottingham & Greenwood (1986, 2001), p. 30</ref>。さらに極端な例として自由中性子の弱い力による崩壊があり、これは約15分を要する<ref name="Cott28">Cottingham & Greenwood (1986, 2001), p. 28</ref>。

===弱アイソスピンと弱超電荷===
{{main article|弱アイソスピン}}
{| style="right; margin:0 0 .5em 1em;" class="wikitable"
|+'''標準模型における左巻きフェルミ粒子'''<ref name="baez">{{Cite journal |first1=John C. |last1=Baez |authorlink1=John C. Baez |first2=John |last2=Huerta |year=2009 |title=The Algebra of Grand Unified Theories|url=https://math.ucr.edu/~huerta/guts/node9.html |bibcode=2009arXiv0904.1556B |volume=0904 |pages=483–552 |arxiv=0904.1556 |journal=Bull. Am. Math. Soc. |accessdate=15 October 2013 |doi=10.1090/s0273-0979-10-01294-2}}</ref>
|-
!colspan="3" style="background:#339900; color:#ffffff"|第1世代
!colspan="3" style="background:#339900; color:#ffffff"|第2世代
!colspan="3" style="background:#339900; color:#ffffff"|第3世代
|- style="background:#fdd;"
!フェルミ粒子
!記号
![[弱アイソスピン]]
!フェルミ粒子
!記号
![[弱アイソスピン]]
!フェルミ粒子
!記号
![[弱アイソスピン]]
|-
|style="background:#efefef"|[[電子ニュートリノ]]
|<math>\nu_e\,</math>
|<math>+\tfrac 1 2 \,</math>
|style="background:#efefef"|[[ミューニュートリノ]]
|<math>\nu_\mu\,</math>
|<math>+\tfrac 1 2 \,</math>
|style="background:#efefef"|[[タウニュートリノ]]
|<math>\nu_\tau\,</math>
|<math>+\tfrac 1 2 \,</math>
|-
|style="background:#efefef"|[[電子]]
|<math>e^-\,</math>
|<math>-\tfrac 1 2 \,</math>
|style="background:#efefef"|[[ミュー粒子]]
|<math>\mu^-\,</math>
|<math>-\tfrac 1 2 \,</math>
|style="background:#efefef"|[[タウ粒子]]
|<math>\tau^-\,</math>
|<math>-\tfrac 1 2 \,</math>
|-
|style="background:#efefef"|[[アップクォーク]]
|<math>u\,</math>
|<math>+\tfrac 1 2 \,</math>
|style="background:#efefef"|[[チャームクォーク]]
|<math>c\,</math>
|<math>+\tfrac 1 2 \,</math>
|style="background:#efefef"|[[トップクォーク]]
|<math>t\,</math>
|<math>+\tfrac 1 2 \,</math>
|-
|style="background:#efefef"|[[ダウンクォーク]]
|<math>d\,</math>
|<math>-\tfrac 1 2 \,</math>
|style="background:#efefef"|[[ストレンジクォーク]]
|<math>s\,</math>
|<math>-\tfrac 1 2 \,</math>
|style="background:#efefef"|[[ボトムクォーク]]
|<math>b\,</math>
|<math>-\tfrac 1 2 \,</math>
|-
| colspan="9" style="text-align:center;"|上記の左巻きの粒子は全て、等しく反対の弱アイソスピンを持つ対応する右巻きの反粒子を持つ。
|-
| colspan="9" style="text-align:center;"|全ての右巻き粒子と左巻き反粒子には0の弱アイソスピンがある。
|}

全ての粒子は[[弱アイソスピン]]（記号''T''<sub>3</sub>）と呼ばれる特性を持つ。これは[[量子数]]として働き、弱い相互作用における粒子の振る舞いを決定する。弱アイソスピンは弱い相互作用において、[[電磁気]]における[[電荷]]、[[強い相互作用]]における[[色荷]]と同じ役割を果たす。全ての左巻きの[[フェルミ粒子]]は{{frac|+|1|2}}もしくは{{frac|&minus;|1|2}}の値の弱アイソスピンを持つ。例えば、アップクォークは{{frac|+|1|2}}、ダウンクォークは{{frac|&minus;|1|2}}である。クォークは弱い相互作用により同じ''T''<sub>3</sub>のクォークに崩壊することはない。''T''<sub>3</sub>が{{frac|+|1|2}}のクォークは''T''<sub>3</sub>が{{frac|&minus;|1|2}}のクォークにのみ崩壊し、逆もまた然りである。
[[File:PiPlus muon decay.svg|thumb|left|π<sup>+</sup>の弱い相互作用による崩壊]]

あらゆる相互作用において弱アイソスピンが[[保存則|保存]]される：相互作用に入る粒子の弱アイソスピン数の合計は、この相互作用から出る粒子の弱アイソスピン数の合計に等しくなる。例えば、弱アイソスピンが+1の（左巻き）π<sup>+</sup>は通常、ν<sub>μ</sub>({{frac|+|1|2}})とμ<sup>+</sup>（右巻き反粒子、{{frac|+|1|2}}）に崩壊する<ref name="Cottingham30"/>。

電弱理論の発展に続き、別の特性である[[弱超電荷]]が発展した。これは粒子の電荷と弱アイソスピンに依存し、以下の式

<math>\qquad Y_\text{W} = 2(Q - T_3)</math>

により定義される。ここで''Y''<sub>W</sub>は与えられたタイプの粒子の弱超電荷、''Q''はその電荷（[[電気素量|基本電荷]]単位）、''T''<sub>3</sub>は弱アイソスピンである。弱アイソスピンが0の粒子もあるが、全ての[[フェルミ粒子|スピン{{frac|1|2}}粒子]]は0でない弱超電荷を持つ。[[弱超電荷]]は、電弱[[ゲージ群]]のU(1)部分を生成する。

==相互作用の種類==
弱い相互作用には2つのタイプがある（[[ファインマン・ダイアグラム|頂点]]と呼ばれる）。1番目は[[電荷]]を運ぶ粒子（[[Wボソン|W<sup>+</sup>やW<sup>-</sup>ボソン]]など）により媒介されるため、「荷電カレント相互作用」と呼ばれる。[[ベータ崩壊]]現象は、この荷電カレント相互作用によって引き起こされる。2番目は中性粒子である[[Zボソン]]により媒介されるため「中性カレント相互作用」と呼ばれる。

===荷電カレント相互作用===
[[File:Beta Negative Decay.svg|thumb|right|200px|中性子の間に重いW<sup>-</sup>ボソンを介した[[陽子]]、[[電子]]、[[ニュートリノ|電子反ニュートリノ]]へのベータマイナス崩壊の[[ファインマン・ダイアグラム]]]]
ある種の荷電カレント相互作用では、荷電[[レプトン (素粒子)|レプトン]]（[[電子]]または[[ミューオン]]など、電荷−1を持つ）はW<sup>+</sup>ボソン（電荷+1を持つ粒子）を吸収しそれにより対応する[[ニュートリノ]]（電荷0）に変換される。ニュートリノの種類（フレーバー）である電子、ミュー、タウは相互作用におけるレプトンの種類と同じである。例えば
:<math>\mu^-+ W^+\to \nu_\mu</math>
同様にダウンタイプの[[クォーク]]（電荷−{{frac|3}}の''d''）はW<sup>-</sup>ボソンを放出もしくはW<sup>+</sup>ボソンを吸収することによりアップタイプのクォーク（電荷+{{frac|2|3}}の''u''）に変換されうる。より正確にはダウンタイプのクォークはアップタイプクォークの[[重ね合わせ|量子重ね合わせ]]になる、つまり、[[CKM行列]]の表で確率が与えられているため、3つのアップタイプのクォークのいずれかになる可能性があるということである。逆にアップタイプのクォークはW<sup>+</sup>ボソンを放出もしくはW<sup>-</sup>ボソンを吸収して、それによりダウンタイプのクォークに変換されうる。例えば
:<math>\begin{align}
        d &\to u + W^- \\
  d + W^+ &\to u \\
        c &\to s + W^+ \\
  c + W^- &\to s
\end{align}</math>

Wボソンは不安定なため、非常に短い寿命で急速に崩壊する。例えば
:<math>\begin{align}
  W^- &\to e^- + \bar\nu_e~ \\
  W^+ &\to e^+ + \nu_e~
\end{align}</math>

様々な確率で、他の生成物へWボソンの崩壊が起こることがある<ref name="PDG2">{{cite journal |author=K. Nakamura ''et al''. ([[Particle Data Group]]) |year=2010 |title=Gauge and Higgs Bosons |url=http://pdg.lbl.gov/2010/tables/rpp2010-sum-gauge-higgs-bosons.pdf |journal=[[Journal of Physics G]] |volume=37 | doi = 10.1088/0954-3899/37/7a/075021 |bibcode = 2010JPhG...37g5021N }}</ref>。

いわゆる中性子の[[ベータ崩壊]]では（上記の画像参照）、中性子内のダウンクォークが[[仮想粒子|仮想]]W<sup>-</sup>ボソンを放出し、これによりアップクォークに変換され、中性子が陽子に変換される。この過程に関わるエネルギー（つまり、ダウンクォークとアップクォークの質量差）のため、W<sup>-</sup>ボソンは電子と電子反ニュートリノにしか変換されない<ref name="PDG3">{{cite journal |author=K. Nakamura ''et al''. ([[Particle Data Group]]) |year=2010 |title= n |url=http://pdg.lbl.gov/2010/listings/rpp2010-list-n.pdf |journal=[[Journal of Physics G]] |volume=37 |page=7|doi=10.1088/0954-3899/37/7a/075021|bibcode = 2010JPhG...37g5021N }}</ref>。クォークレベルでは、この過程は次のように表すことができる。

:<math>d\to u+ e^- + \bar\nu_e~</math>

===中性カレント相互作用===
中性カレント相互作用において、[[クォーク]]や[[レプトン (素粒子)|レプトン]]（[[電子]]や[[ミューオン]]など）は中性[[Zボソン]]を放出もしくは吸収する。例えば

:<math>e^-\to e^- + Z^0</math>

Wボソン同様、Zボソンも急速に崩壊する<ref name="PDG2"/>。例えば
:<math>Z^0\to b+\bar b</math>

==電弱理論==
{{main article|電弱相互作用|ワインバーグ＝サラム理論}}
素粒子物理学の[[標準模型]]は、[[電磁相互作用]]と弱い相互作用を単一の電弱相互作用の2つの異なる面として説明する。この理論は1968年ごろに[[シェルドン・グラショー]]、[[アブドゥッサラーム]]、[[スティーヴン・ワインバーグ]]により発展され、3人は1979年にノーベル物理学賞を受賞した<ref>{{cite web |publisher=Nobel Media |work=NobelPrize.org |title=The Nobel Prize in Physics 1979 |url=https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1979/summary/ |accessdate=26 February 2011}}</ref>。[[ヒッグス機構]]は、[[ウィークボソン|3つの質量のあるゲージボソン]]（W<sup>+</sup>, W<sup>-</sup>, Z, 3つの弱い相互作用のキャリア）質量のない[[光子]]（''γ'', 電磁相互作用のキャリア）の存在を説明する<ref name="PDGHiggs">{{cite journal
 |author=C. Amsler ''et al.'' ([[Particle Data Group]])
 |year=2008
 |title=Review of Particle Physics – Higgs Bosons: Theory and Searches
 |url=http://pdg.lbl.gov/2008/reviews/higgs_s055.pdf
 |journal=[[Physics Letters B]]
 |volume=667 |issue= |pages=1–6
 |doi= 10.1016/j.physletb.2008.07.018
|bibcode = 2008PhLB..667....1A }}</ref>。

電弱理論によると、非常に高いエネルギーにおいて宇宙には[[ヒッグス場]]の4つの成分があり、その相互作用は[[光子]]に似た4つの質量のないゲージ[[ボソン]]により運ばれ、複素スカラーヒッグス場ダブレットを形成する。しかし、低いエネルギーでは、ヒッグス場の1つが[[真空期待値]]を獲得するため、このゲージ対称性は自発的に電磁気の'''U'''(1)対称性に[[自発的対称性の破れ|破れる]]。この対称性の破れは3つの質量のない[[南部・ゴールドストーン粒子|ボソン]]を生成すると予想されるが、代わりに他の3つの場により統一され、[[ヒッグス機構]]を介して質量を獲得する。これらの3つのボソンの統合により、弱い相互作用のW<sup>+</sup>, W<sup>-</sup>, Zボソンが生成される。4番目のゲージボソンは電磁気の光子であり、質量がないままである<ref name="PDGHiggs"/>。

この理論は、発見前にZボソンとWボソンの質量を予測するなど多くの予測を行ってきた。2012年7月4日、[[大型ハドロン衝突型加速器]]のCMSとATLASの実験チームは独立に、質量125–127&nbsp;GeV/''c''<sup>2</sup>のこれまで未知のボソンを公式に発見したことを確認したことを発表した。このボソンのそれまでの振る舞いはヒッグス粒子と「一致」していたが、新しいボソンが何らかのタイプのヒッグス粒子であることを積極的に特定する前にさらにデータと分析が必要であるという注意を加えた。2013年3月14日までにヒッグス粒子が存在することが暫定的に確認された<ref>{{cite web|url=http://home.web.cern.ch/about/updates/2013/03/new-results-indicate-new-particle-higgs-boson |title=New results indicate that new particle is a Higgs boson &#124; CERN |publisher=Home.web.cern.ch |date= |accessdate=20 September 2013}}</ref>。

[[ヒッグス機構|電弱対称性の破れ]]スケールが下がった場合、破れていないSU(2)相互作用は最終的に閉じ込められる。SU(2)がそのスケールを超えて閉じ込められる代わりのモデルは、低エネルギーでは[[標準模型]]と定量的に類似しているが、対称性の破れを超えると劇的に異なる<ref>{{cite journal |last1=Claudson |first1=M. |last2=Farhi |first2=E. |last3=Jaffe |first3=R. L. |title=Strongly coupled standard model |journal=Physical Review D |date=1 August 1986 |volume=34 |issue=3 |pages=873–887 |doi=10.1103/PhysRevD.34.873 |url=http://prd.aps.org/abstract/PRD/v34/i3/p873_1 |accessdate=4 February 2019}}</ref>。

==対称性の破れ==
[[File:Right left helicity.svg|thumb|right|280px|[[カイラリティ|左巻きと右巻きの粒子]]: pは粒子の運動量、Sは[[スピン角運動量|スピン]]。条件間の反射対称性は欠いていることに留意。]]
自然の法則は鏡の[[反射]]の下では同じままであると長らく考えられていた。鏡を通して見た実験結果は、実験装置の鏡で反射した写しの結果と同一であると予想された。このいわゆる[[パリティ (物理学)|パリティ]]保存則は、古典的な[[重力]]、[[電磁気学]]、[[強い相互作用]]においては守られることが知られており、普遍的な法則であると仮定されていた<ref>{{cite book |title=American scientists |author=Charles W. Carey |chapter=Lee, Tsung-Dao |year=2006 |publisher=Facts on File Inc. |url=https://books.google.com/books?id=00r9waSNv1cC&pg=PA225 |page=225 |isbn=9781438108070}}</ref>。しかし、1950年代半ば[[楊振寧]]と[[李政道]]は弱い相互作用がこの法則に反する可能性があることを提案した。[[呉健雄]]と共同研究者が1957年に弱い相互作用がパリティに反することを発見し、楊と李に1957年ノーベル物理学賞受賞をもたらした<ref>{{cite web |publisher=Nobel Media |work=NobelPrize.org |title=The Nobel Prize in Physics 1957 |url=https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1957/summary/ |accessdate=26 February 2011}}</ref>。

かつては[[フェルミ相互作用|フェルミの理論]]で弱い相互作用が説明されていたが、パリティ破れと[[繰り込み]]理論の発見により、新たなアプローチが必要であることが示唆された。1957年、[[ロバート・マーシャク]]と[[ジョージ・スダルシャン]]、そして少し遅れて[[リチャード・ファインマン]]と[[マレー・ゲルマン]]が弱い相互作用のために'''V−A'''（[[空間ベクトル|ベクトル]]マイナス[[軸性ベクトル]]もしくは左巻き）[[ラグランジアン (場の理論)|ラグランジアン]]を提案した。この理論では、弱い相互作用は左巻きの粒子（および右巻きの反粒子）にのみ作用する。左巻きの粒子を鏡で反射したものは右巻きであるため、これがパリティの最大破れを説明する。'''V−A'''理論はZボソンが発見される前に開発されたため、中性カレントの相互作用に加わる右巻きの場は含まれていなかった。

しかし、この理論により複合的な対称性'''[[CP対称性の破れ|CP]]'''を保存することができた。'''CP'''はパリティ'''P'''（左から右への切り替え）と荷電共役'''C'''（粒子と反粒子の切り替え）の組み合わせである。1964年に[[ジェイムズ・クローニン]]と[[ヴァル・フィッチ]]が[[K中間子]]崩壊ではCP対称性も破れるという明確な証拠を示し、物理学者を再び驚かせた。2人は1980年にノーベル物理学賞を受賞している<ref>{{cite web |publisher=Nobel Media |work=NobelPrize.org |title=The Nobel Prize in Physics 1980 |url=https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1980/summary/ |accessdate=26 February 2011}}</ref>。1973年、[[小林誠 (物理学者)|小林誠]]と[[益川敏英]]が弱い相互作用のCP破れには2[[世代 (素粒子)|世代]]より多くの粒子が必要であることを示し<ref name="KM">{{Cite journal|author1=Kobayashi, Makoto |author1-link=小林誠 (物理学者) |author2=Maskawa, Toshihide |author2-link=益川敏英 |date=1973-02 |url=https://doi.org/10.1143/PTP.49.652 |title=CP-Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction |journal=Progress of Theoretical Physics |volume=49 |issue=2 |publisher=The Yukawa Institute for Theoretical Physics and the Physical Society of Japan |hdl=2433/66179 |doi=10.1143/PTP.49.652 |language=en |accessdate=2023-12-07}}</ref>、事実上当時未知であった第3世代の存在を予測した。この発見により2008年のノーベル物理学賞の半分を獲得した<ref>{{cite web |publisher=Nobel Media |work=NobelPrize.org |title=The Nobel Prize in Physics 2008 |url=https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2008/summary/ |accessdate=2020年6月9日}}</ref>。

パリティ破れとは異なり、CP破れは限られた状況でのみ発生する。その珍しさにもかかわらず、宇宙に[[反物質]]よりも物質がはるかに多く存在する理由と広く信じられており、それにより[[バリオン数生成]]の[[アンドレイ・サハロフ]]の3つの条件の1つを構成している<ref>{{cite book |title=CP violation |editor=Cecilia Jarlskog |author=Paul Langacker |chapter=Cp Violation and Cosmology |origyear=1989 |year=2001 |publisher=World Scientific Publishing Co. |location=London, [[River Edge]] |url=https://books.google.com/books?id=U5TC5DSWOmIC |page=552 |isbn=9789971505615}}</ref>。

==脚注==
{{脚注ヘルプ}}
{{reflist|2}}

== 参考文献 ==
===一般向け===
* {{Cite book
 |author=R. Oerter
 |year=2006
 |title=The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics
 |publisher=[[Plume (publisher)|Plume]]
 |isbn=978-0-13-236678-6
}}
* {{Cite book
 |author=B.A. Schumm
 |year=2004
 |title=Deep Down Things: The Breathtaking Beauty of Particle Physics
 |publisher=[[Johns Hopkins University Press]]
 |isbn=0-8018-7971-X
 |url-access=registration
 |url=https://archive.org/details/deepdownthingsbr00schu
 }}

===テキスト===
* {{Cite book
 | author1=[[Walter Greiner]] | author2=B. Müller
 | year=2000
 | title=Gauge Theory of Weak Interactions
 | publisher=Springer
 | isbn=3-540-67672-4
}}
* {{Cite book
 |author1=G.D. Coughlan |author2=J.E. Dodd |author3=B.M. Gripaios |year=2006
 |title=The Ideas of Particle Physics: An Introduction for Scientists
 |edition=3rd
 |publisher=[[Cambridge University Press]]
 |isbn=978-0-521-67775-2
}}
* {{Cite book
 | author1=W.N. Cottingham
 | author2=D.A. Greenwood
 | title=An introduction to nuclear physics
 | publisher=Cambridge University Press
 | origyear=1986
 | year=2001
 | edition=2nd
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 | url=https://books.google.com/books?id=0VIpJPn-qWoC&pg=PA30
}}
* {{Cite book
 | author=D.J. Griffiths
 | year=1987
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* {{Cite book
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* {{Cite book
 | author=D.H. Perkins
 | year=2000
 | title=Introduction to High Energy Physics
 | publisher=Cambridge University Press
 | isbn=0-521-62196-8
}}

==関連項目==
{{portal|物理学}}
* [[重力]]
* [[核力]]
* [[電磁気学]]

== 外部リンク ==
{{wikiquote}}
<!-- 会員登録が必要になったのでコメント化。2023.10.23  * Harry Cheung, [http://home.fnal.gov/~cheung/rtes/RTESWeb/LQCD_site/pages/weakforce.htm The Weak Force] @[http://fnal.gov/ Fermilab] -->
* [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Forces/funfor.html Fundamental Forces] @[http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/index.html Hyperphysics], Georgia State University.
* [https://briankoberlein.com/ Brian Koberlein,] [https://briankoberlein.com/2015/03/01/light-of-other-days/ What is the weak force?]
* {{Kotobank}}

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