対称性と保存則

対称性と保存則は、素粒子物理学および原子核物理学の組織原理であり、自然の不変性と保存量、そして基本相互作用の構造を結びつけるものです。

Definition

対称性と保存則は、物理法則がある変換の下で不変であるならば、保存量が存在するという原理です。連続対称性はエネルギー、運動量、電荷の保存をもたらし、離散対称性および内部対称性は粒子の分類と許容される遷移を支配します。

Scope

この分野は、ネーターの定理に具現化された対称性と保存の間の深いつながり、基本相互作用を生成するゲージ対称性、および荷電共役、パリティ、時間反転の離散対称性を扱います。また、弱い相互作用におけるパリティおよび結合荷電-パリティ対称性の驚くべき破れ、CPT定理、そしてハドロンを分類するアイソスピンやフレーバーなどの近似対称性についても論じます。

Sub-topics

• CP対称性の破れ
• 離散対称性：C、P、T
• ゲージ対称性とネーターの定理
• アイソスピンとフレーバー対称性

Core questions

• 自然の各連続対称性は、どのように保存量に対応するのか？
• ゲージ対称性は、どのように基本相互作用の形式を決定するのか？
• なぜパリティ、さらには結合荷電-パリティ対称性までもが、弱い相互作用によって破られるのか？
• どのような近似対称性がハドロンのスペクトルを組織しているのか？

Key concepts

• 連続対称性と離散対称性
• ネーターの定理
• ゲージ対称性
• 荷電共役、パリティ、時間反転
• CPT定理
• アイソスピンとフレーバー対称性

Key theories

ネーターの定理

ネーターは、物理系の作用の連続対称性にはそれぞれ保存量が対応することを証明し、時間並進とエネルギー、空間並進と運動量、内部位相対称性と電荷を結びつけました。

弱い相互作用におけるパリティの破れ

ウーとその共同研究者による実験は、ベータ崩壊が左右を区別することを示し、長年の仮定に反して、弱い相互作用によってパリティが保存されないことを実証しました。

Clinical relevance

対称性原理は、どの素粒子反応と崩壊が許容され、禁止されるかを決定し、標準模型のゲージ構造全体を支えています。また、観測されている結合荷電-パリティ対称性のわずかな破れは、宇宙が反物質よりも多くの物質を含む理由を説明する上で重要な要素となっています。

History

エミー・ネーターは1918年に対称性と保存の間の基本的なつながりを確立し、対称性は20世紀物理学の中心的な組織原理となりました。リーとヤンによって提案され、1957年にウーによって確認された弱い相互作用がパリティを破るという発見は、鏡像対称性の仮定を覆し、その後の荷電-パリティ破れの観測は、素粒子物理学における離散対称性の役割を深めました。

Key figures

• Emmy Noether
• Chien-Shiung Wu
• Tsung-Dao Lee
• Chen-Ning Yang

Seminal works

• noether1918
• wu1957

Frequently asked questions

ネーターの定理は何を述べていますか？

ネーターの定理は、物理系のすべての連続対称性には保存量が対応すると述べています。例えば、時間並進に対する物理学の不変性はエネルギー保存を意味し、空間並進に対する不変性は運動量保存を意味します。

自然のすべての対称性は厳密ですか？

いいえ。結合CPT対称性のような厳密な対称性もあれば、近似的なものや破れるものもあります。弱い相互作用はパリティと結合荷電-パリティ対称性を破り、アイソスピンは強い相互作用の近似対称性にすぎません。