超対称性（スーパーシンメトリー）とは？定義・意義・暗黒物質と実験結果

超対称性の定義・意義から暗黒物質やLHC実験の最新結果までをわかりやすく解説する入門ガイド。

超対称性とは、宇宙の始まりに光子、電子、クォークなどの素粒子が形成されたときに、理論的に一致する種類の「超粒子」も形成されたという科学理論である。この説が事実であれば、宇宙に存在する粒子の種類は少なくとも2倍になります。また、宇宙に余分な次元があるとすれば（エドワード・ウィッテンのM理論では最大11次元と予測されています）、対称性を持つ方法も増え、超粒子の種類も増えることになります。

多くの科学者は、超対称性が物理学の標準モデル（暗黒物質を含む）の多くのギャップを埋め、超ひも理論の考えを支持することになるため、超対称性の証明を期待している。しかし、大型ハドロン衝突型加速器での実験では、これまでのところ超対称性の証拠は見つかっていない。

超対称性は、宮沢博昭（1927年生まれ）のアイデアである。

定義と基本概念

超対称性（Supersymmetry, SUSY）は、粒子物理学における対称性の一種で、フェルミ粒子（半整数スピン、例えば電子）とボース粒子（整数スピン、例えば光子）を相互に変換する演算子を持つという概念です。簡単に言えば、既知の全ての標準模型粒子には「鏡像」のような超粒子（スーパーパートナー、スパルトン）が対応します。これにより、理論上の計算で発生する特定の発散（特にヒッグス質量に関する二乗発散）を打ち消すことが可能になります。

なぜ重要か（意義・動機）

• ヒエラルキー問題（階層性問題）：ヒッグス粒子の質量が量子補正で非常に大きくなってしまう問題を、ボースとフェルミの寄与が互いに打ち消すことで緩和できる。
• ゲージ結合の統一：エネルギーが高くなると素粒子間の相互作用の強さ（ゲージ結合定数）が一致する方向に走る傾向があり、超対称性を入れると統一点がよりきれいに揃う。
• 暗黒物質候補：Rパリティ（粒子番号保存則に相当する量）を仮定すると、最軽粒子（LSP: lightest supersymmetric particle）が安定になり、これが冷たい暗黒物質の候補（例えば中性ノ＝中性弱重荷の中性の中間状態）となる。
• 超ひも理論との親和性：超対称性は超ひも理論をはじめとする高次元理論と整合的で、理論的な拡張を自然に含める。

超粒子（スーパーパートナー）の種類と性質

代表的な超粒子には次のようなものがあります（標準模型粒子に対応するもの）:

• クォーク → スカラーの「スカラークォーク（squark）」や「スキューク」など（総称してスフェルミオン）
• レプトン（電子など） → 「スレプトン」
• グルーオン → フェルミオンの「グルイノ（gluino）」
• ウィークゲージボソン（W, Z）や光子 → 「ウィーノ」「ビーノ」「フォトーノ」「中性・荷電ヒグシィノ」などの「ガウジーノ」「ヒッグシーノ」系

これらの超粒子はスピンが元の粒子と1/2だけ異なり、かつ通常は“ソフトな超対称性破れ”によって重くなります。その結果、日常的なエネルギーでは観測されないと考えられます。

暗黒物質との関係

超対称性モデルでは、最も軽い安定な超粒子（LSP）が暗黒物質の候補になります。代表例は中性ノ（neutralino）で、弱い相互作用を持つ安定な粒子として宇宙論的な数密度を説明できる範囲が存在します。LSPが安定であるためにはRパリティと呼ばれる量の保存を仮定する必要があります。Rパリティが破れるモデルではLSPは安定でなくなるため、暗黒物質候補としての立場は変わります。

超対称性の破れ（SUSY breaking）

もし完全な超対称性が成り立っていれば、対応する粒子と超粒子は同じ質量を持ちますが、現実には超粒子は観測されていないため、超対称性は破れていると考えられます。理論では「ソフトな超対称性破れ」などのメカニズムを導入して、超粒子に適度な質量を与えます。破れ方のモデルは多様で、各モデルに応じて実験的な探索法や予測が変わります。

実験的検証と現在の状況

過去数十年にわたり、多くの加速器実験と間接探索が行われてきました。LEPやTevatron、そして現在の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）でATLASやCMSといった実験グループがスパートン探索を継続しています。これまでのところ直接的な超対称性の発見はされておらず、最も簡単な実装（軽い超粒子が多数存在するようなモデル）はかなり厳しく制約されています。

実験の現状としては、モデル依存ではありますが、超粒子の質量下限が「テラ電子ボルト（TeV）オーダー」に達していること、並びに典型的なシグナル（多ジェット＋大きな消失運動量など）が観測されていないことから、最も単純なSUSYモデルは強く制限されています。一方で、複雑な崩壊チェーンや小さなエネルギー開き、Rパリティ破れなどでは信号が見えにくく、完全な否定には至っていません。

理論的な課題と今後の展望

• モデル選択の問題：自然性を保ちながら実験制約を満たすモデル構築は難しく、さまざまなSUSYの拡張や変種が提案されている。
• 高エネルギー実験の必要性：もし超粒子が非常に重い（数TeV以上）場合、LHCのエネルギーやルミノシティでは見つけにくく、より高エネルギーの加速器や異なる種類の実験（直接暗黒物質探索、精密測定、宇宙観測）が重要になる。
• 理論と観測の橋渡し：宇宙論、暗黒物質観測、希薄な崩壊過程の精密測定など、多方面からのアプローチが必要。

まとめると、超対称性は素粒子物理学と宇宙論の未解決問題に対する有力な理論的枠組みを提供しますが、実験的な裏付けはまだ得られていません。理論的刺激は依然大きく、今後の加速器実験や暗黒物質探索、宇宙背景放射や構造形成の観測などで重要な手がかりが期待されています。

質問と回答

Q: 超対称性とは何ですか?

Q: 超対称性は何種類の粒子を作りますか?

Q: M理論では何次元の余剰次元があると予測されていますか?

Q: 超対称性は標準理論のどのようなギャップを埋めるのですか?

Q: 超対称性と弦理論の関係は?

Q:大型ハドロン衝突型加速器とは何ですか?

Q: これまでのところ、大型ハドロン衝突型加速器の実験で超対称性の証拠は見つかっていますか?

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