電荷共役（C対称性）：粒子と反粒子を入れ替える対称操作

操作の仕組み

形式的には、電荷共役は量子状態、または量子場理論における場の演算子に作用する演算子として表される。多粒子状態に適用すると、各粒子はその反粒子へ変換される。たとえば陽子は反陽子に、電子は陽電子になる。実例として反水素がある。これは反陽子と陽電子から成る原子であり、通常の水素の電荷共役パートナーである。変換後には電磁気的電荷の符号は反対になるが、質量と空間的量子数は保存される。多くの文脈では、この演算子は、操作によって自分自身へ写される中性系に対するCパリティという量子数を定義するために用いられる。

物理的帰結と保存

電荷共役は、どの相互作用や崩壊が許されるかを予測するうえで有用な対称性である。電磁相互作用と強い相互作用は、操作の固有状態である系については通常Cパリティを保存する。一方、電弱相互作用、特に弱い相互作用は、一般にはC対称性を尊重しない。弱い過程がCを破ることの発見は、20世紀物理学における主要な進展の一つであった。Cだけでは常に保存されるとは限らないため、物理学者はしばしばCP（電荷共役に続くパリティ）などの組合せや、CPT定理を論じる。CPT定理は、局所的な相対論的量子場理論において、電荷共役（C）、空間反転（P）、時間反転（T）を組み合わせた操作が成り立たなければならないことを意味する。

例と注目すべき事例

• 反粒子：粒子と反粒子は同一の質量をもち、加法的電荷は反対である。陽子と反陽子、電子と陽電子の組が例である。反陽子の原子核の周囲を陽電子が回る反水素は、水素の直接的な電荷共役類似体である。
• 中性系：一部の中性粒子はC演算子の固有状態である。中性パイ中間子などの中間子は明確なCパリティをもち、ポジトロニウムのような束縛状態は、一重項と三重項の配置に応じて異なるCパリティを示す。これらの性質は、許される崩壊チャネルを制約する。
• 実験的検証：物質と反物質のスペクトルその他の性質を精密に比較すること、たとえば水素と反水素を比較することは、CPT不変性や、他の変換と組み合わせた際の電荷共役の振る舞いを含む基本対称性の検証に用いられる。

歴史的・概念的な注記

反粒子の必要性は、電子に対する相対論的方程式とその解から生じた。その理論的予測の後まもなく、陽電子が発見された。電荷共役はその後、量子論における自然な対称操作として認識され、場の演算子の言葉で定式化された。粒子を反粒子と入れ替えるという考え方自体は単純であるが、他の対称性がCと相互に関わるため、その含意は微妙である。現代の素粒子物理学では、基本的な保存則を評価する際にCをPおよびTとともに扱う。

関連概念との区別
Cを関連する概念と区別することは重要である。パリティ（P）は空間座標を反転させるが、電荷は変えない。時間反転（T）は運動と、ある種の時間依存の位相を反転させる。CPはCの後にPを行う複合操作であり、かつては厳密な対称性と考えられていたが、特定の弱い崩壊において小さな破れが観測された。より一般的で強固な制約はCPTであり、相対論的量子場理論における広範な仮定のもとで保証される。

入門的な資料および広い文脈については、対称性と粒子・反粒子の関係に関する一般的な資料を参照できる。個別の実験計画や総説では、反水素などの反物質、ならびにレプトンとハドロンの詳しい性質が論じられている。場の理論および複合系における電荷共役の作用については、標準的な素粒子物理学の教科書や総説でさらに学べる。陽電子および原子の概説は、理解しやすい出発点となる。