弱い相互作用とは？W/Zボソン・ベータ崩壊・電弱相互作用の解説

弱い相互作用は、弱い力や弱い核力とも呼ばれ、宇宙に存在する4つの基本的な力のうちの1つである。ゲージボゾンであるWボゾンやZボゾンと呼ばれる粒子が担っている。弱い力は、放射能の一種であるベータ崩壊を引き起こす。エネルギーレベルが極めて高くなると、弱い相互作用の力と電磁気学が同じ働きをするようになり、これを「電弱相互作用」と呼ぶ。

基本的な特徴

弱い相互作用は、他の基本的な相互作用（重力、電磁力、強い相互作用）と比べて次のような特徴があります。

• 短い有効範囲：W・Zボゾンが非常に重いため（質量はそれぞれ約80 GeVと91 GeV程度）、作用範囲は極めて短く、典型的には約10⁻¹⁸メートル程度です。
• 相対的に弱い力：同じ距離スケールで比べると、電磁気力や強い力に比べて弱く見えます。ただし高エネルギーでは電磁気力と統一されます。
• 左右非対称（手性）：荷電弱相互作用は左巻き（左手型）のフェルミオンだけに働き、右手型には作用しないため、パリティ（左右対称性）を破ります。これはリーとヤンの提案やウーの実験で確認されました。

WボソンとZボソンの役割

弱い相互作用はゲージボゾンで媒介されます。具体的には

• Wボソン（W⁺, W⁻）：電荷を持つボゾンで、クォークやレプトンのフレーバー（種類）を変える「荷電カレント」を媒介します。例えば、クォークのダウン（d）がアップ（u）に変わる過程はW⁻の放出を伴います（基礎過程としては d → u + W⁻）。
• Zボソン（Z⁰）：電荷を持たない中性のボゾンで、「中性カレント」と呼ばれる相互作用を媒介します。Zは粒子の電荷を変えずに相互作用させることができます。

WとZの存在と性質は、1970年代後半から1980年代初頭にかけての加速器実験で確かめられました（W/Zの発見はノーベル賞にもつながりました）。

ベータ崩壊の仕組み

ベータ崩壊は弱い相互作用の代表的な現象です。原子核の中で次のような過程が起きます。

• β⁻崩壊（電子放出）：核子の一つの中で、ダウンクォークがアップクォークに変わり、W⁻が放出され、そのW⁻が電子と反ニュートリノに崩壊します。簡潔に表すと n → p + e⁻ + ν̄_e です。
• β⁺崩壊（陽電子放出）：アップクォークがダウンクォークに変わってW⁺を放出し、W⁺が陽電子とニュートリノに崩壊します。例：p → n + e⁺ + ν_e。

このように、ベータ崩壊はクォークの種類を変える過程であり、質量の重いWボゾンが間接的に関与することで起こります。

電弱相互作用の統一

電磁相互作用と弱い相互作用は、グルーショウ＝ワインバーグ＝サラム理論により一つの枠組みで記述されます。理論的にはゲージ群は SU(2)ₗ × U(1)ᵧ で表され、ヒッグス機構によって対称性が自発的に破れ、WおよびZが質量を獲得します。一方で光子は質量を持たず電磁相互作用を媒介します。

この統一の中で重要なパラメータがワインバーグ角（θ_W）で、WとZの結合や質量関係に関与します。高エネルギー状態では電磁相互作用と弱い相互作用の区別はあいまいになり、両者は統一された電弱力として振る舞います。

弱い相互作用の特殊性と現代的関心事

• ニュートリノとの関わり：ニュートリノは電荷を持たないため電磁相互作用にはほとんど関与せず、主に弱い相互作用を通してのみ物質と反応します。これがニュートリノ検出を困難にしています。
• CP不変性の破れ：弱い相互作用は一部の過程でCP対称性（粒子と反粒子の鏡像）が破れることが観測されています。これは宇宙の物質と反物質の不均衡を説明する手がかりの一つです。
• ニュートリノ振動と質量：ニュートリノが振動する（種類を変える）現象はニュートリノに質量があることを示し、標準模型の単純形では説明できないため新しい理論的発展の対象となっています。

実験と応用

弱い相互作用の研究は加速器実験（例：CERNのUA1/UA2によるW/Z発見）、ニュートリノ観測（スーパーカミオカンデ、SNO、IceCubeなど）、原子核物理学、宇宙素粒子物理学など幅広い分野で進められています。応用面では、医療分野のPET（陽電子放出断層撮影）はベータ⁺崩壊を利用しており、弱い相互作用が実際の技術に寄与しています。

まとめ

弱い相互作用は、粒子の種類を変えることができる唯一の基本相互作用であり、W・Zという重いボゾンが媒介します。短距離で働き、左右非対称性やCP破れといった特徴を持ち、電磁相互作用と統一されることで電弱理論を形成します。原子核の崩壊やニュートリノ現象、宇宙の進化の理解に不可欠な役割を果たしています。

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