1957年ノーベル物理学賞楊・李・呉「弱い相互作用の“パリティ対称性の破れ”を発見」 : サイエンスジャーナル

　パリティ対称性の破れ

　この物質世界を支配する力は、4つ存在する。すなわち、重力相互作用、電磁相互作用、強い相互作用、弱い相互作用の4つである。

　通常の物理現象は空間反転を行っても変わらないように見える。例えば、まったく見知らぬ国の映像がテレビに映っている場合、その画面が通常どおり撮影されたのか、一度鏡に反射させてから撮影されたのかは、通常の物理現象を見ているかぎりは判別できない。この様に空間反転した状態と元の状態で物理法則が変わらないことを“パリティ対称性”がある、または、パリティが保存されているという。

　これらの中で“パリティ対称性の破れ”がみられるのは、弱い相互作用の関係する物理現象のみであり、他の三つの相互作用ではパリティ対称性が保存されている。通常、人間の目で直接観察できるのは重力相互作用と電磁相互作用のみであるため、長い間、すべての物理法則でパリティ対称性が保存されていると考えられていた。

　我々のまわりにある、重力も電磁力も強い相互作用（核力）も、しっかりとしていて不変の法則であるように見える。だが、しっかりとした強い力（核力）で結びつけられた素粒子が、なぜ弱い相互作用（β崩壊）で、バラバラになっていくのかは不思議だ。弱い相互作用だけは他の力と比べても変わっている。

　このようなこれまで常識とされた物理法則と逆のような法則を物理学では“破れ”と表現することが多い。“CP対称性の破れ”や“自発的対称性の破れ”などもそうである。どのようにして、“パリティ対称性の破れ”は発見されたのだろうか？

　楊と李の予想と呉の実験

　1956年に楊（楊振寧、Chen Ning Yang）と李（李政道、Tsung-Dao Lee）は、当時説明不能だったK中間子の崩壊に関する現象を説明するため、弱い相互作用が関与する物理現象ではパリティの対称性が破れると予想した。

　この予想は、1957年に呉（呉健雄、Wu Chien-Shiung）により、弱い相互作用が関与する物理現象であるベータ崩壊を観測する実験で確かめられた。楊と李は、この功績により1957年のノーベル物理学賞を受賞した。

　呉の実験では、放射性核種であるコバルト60を極低温に冷却し、磁場をかけて多数の原子のスピンの方向をそろえた状態で、コバルト60がベータ崩壊して発生するベータ粒子の出る方向が調べられた。

　コバルト60のスピンと同じ方向にベータ粒子がでるベータ崩壊と、その反対方向にベータ粒子がでるベータ崩壊は、空間反転した関係にあり、パリティが保存されているなら、2つの崩壊が起こる確率は同じはずである。実験の結果、ベータ粒子はコバルト60のスピンと同じ方向よりも逆の方向に多く放出されているのが観測され、ここに“パリティ対称性”の破れが起こっていることが確認された。

　楊振寧

　楊振寧（ようしんねい1922年9月22日～）は中国系アメリカ人の物理学者。1922年、中華民国安徽省合肥市で生まれる。

　1942年、西南聯合大学を卒業して1945年渡米、シカゴ大学へ留学し、エンリコ・フェルミに師事する。

　1949年から1965年にかけてプリンストン高等研究所の所員・教授を務めた。その後、1965年からはニューヨーク州立大学の教授となる。

　プリンストン時代、コロンビア大学の李政道と素粒子間の弱い相互作用におけるパリティ非保存に関する共同研究を行い、パリティ対称性の破れが存在することを強く示唆した。

　このことはただちに同じ中国出身のコロンビア大学の女性物理学者、呉健雄らのチームによって実証される。この業績により、2人は1957年度のノーベル物理学賞を受賞することになった。中国系のノーベル賞受賞としては、初のケースになる。当時は中華民国籍だったが、1964年にアメリカ市民権を得ている。

　他にゲージ理論におけるヤン＝ミルズ理論、可解模型のヤン＝バクスター方程式など、多くの業績がある。

　1984年、復旦大学より名誉博士号を授与された。

　1953年には、国際理論物理学会東京&京都で来日した。

　2004年には、54歳年下の大学院生と結婚したことでも話題となった。

　楊は統計力学、多体問題、素粒子などの分野で主に活躍。27年にE．P．ウィグナーが導いた“パリティ保存の法則”はK中間子に対しては成立しないと考えた。

　物理学の原則として考えられたこの法則は右と左に基本的な区別はなく、空間は左右対称であるものとする。もし右と左の区別が存在し、実在するものと鏡に映ったものが区別できるなら、K中間子における２通りの崩壊を説明することができる。素粒子の崩壊を引き起こす力は弱い相互作用とよばれるものであるが、この弱い相互作用がある場合パリティ（偶奇性）は保存されない。

　1956年この結論に達した楊と李の2人は、2人の友人であるコロンビア大学の呉健雄やL．M．レーダーマンらの協力で、この理論を実証することに成功。

　実験はコバルト60のβ崩壊を利用した。呉は強磁場と極低温のもとでコバルト60の自転軸平行に整列させβ崩壊で飛び出してくる電子を測定、結果は2人が予想したとおり、原子核の自転方向に対して特定の向きに多数の電子が放出された。

　1957年パリティの非保存性に関する研究によりノーベル物理学賞が贈られた。受賞理由は「素粒子物理学における重要な発見に導いた、いわゆるパリティについての洞察的な研究」である。

　李政道

　李政道（りせいどう、1926年11月24日～）は、中国系アメリカ人の物理学者である。1926年11月24日、中華民国江蘇省蘇州市に生まれる。

　江西聯合中等学校を卒業後、1943年に浙江大学に進学するも戦争により中断され、翌1944年に西南聯合大学へ転入した。第二次世界大戦後の1946年にアメリカのシカゴ大学へ留学。エンリコ・フェルミのもとで学び博士号を取った。この時の同門は、のちにノーベル賞を共同受賞した楊振寧だった。

　1950年結婚し、2人の息子がいる。彼はカリフォルニア大学やプリンストン高等研究所にも籍を置き、1953年にはコロンビア大学の助教授に就任。1956年には29歳で教授となった。

　1956年、李は楊とともに素粒子間の弱い相互作用においてはパリティ（対称性）が保存されないというパリティ対称性の破れについて研究し、「フィジカル・レビュー」誌に発表した。

　これはすぐに実証され、物理学の世界に一大センセーションを引き起こし、2人は翌1957年度のノーベル物理学賞を共同受賞した。同年、アルバート・アインシュタイン賞も受賞した。彼らは中国系の人物としては初のノーベル賞受賞者でもある。当時は中華民国の国籍だったが、1962年にアメリカ市民権を得ている。他に赤外発散におけるKLN(木下-Lee-Nauenberg)定理や非トポロジカルソリトンの研究で知られる。

　彼はのちに中国へ行き、大学生を対象にした奨学金を設立するなど中国の科学教育分野でも活躍している。1985年、北京大学より、名誉博士号を授与されている。

1997年にブルックヘブン国立研究所内に設置された理研BNL研究センターの初代センター長に就任（兼任）。2003年より名誉センター長・理研研究顧問。

2006年（平成18年）秋の叙勲で「我が国研究者の指導育成及び日本・アメリカ合衆国間の学術交流の促進に寄与」により旭日重光章が授与された。

　1950年代初期に発見され、当時の物理学者が頭を悩ませたものにK中間子がある。

　K中間子（Kaon、ケーオン）は、1947年にジョージ・ロチェスターとクリフォード・バトラーにより宇宙線の中から発見された中間子の一つ。霧箱の中でV字の飛跡を残す「奇妙な粒子」として発見された。一定の確立でπ中間子に崩壊するθ粒子と、3個のπ中間子に崩壊するタウ粒子、この2つの質量や平均寿命はすべて同じであり、まるで同一粒子といえた。

　この2つを同一粒子とし、崩壊の仕方が2通りあるのだとすると、物理学の大前提「パリティ保存の法則」が破られてしまう。

　李と楊はこの問題に取り組み、1956年素粒子の崩壊過程においては左右の対称性（パリティ保存）が破られる可能性がある、つまり素粒子の崩壊は弱い相互作用という力によって引き起こされるが、この弱い相互作用では、パリティは保存されないのだという結論を理論的に提示。

　ノーベル賞を受賞しなかった呉健雄

　数ヶ月後に実験を計画して、友人である呉雄健やL．M．レーダーマンらによって実証される。

　1957年、呉健雄（ごけんゆう）、E. Ambler、R. W. Hayward、D. D. Hoppes、およびR. P. Hudsonはコバルト60のベータ崩壊において明白なパリティ保存の破れを観測した。実験が終わりに近づくにつれ、二重チェックが進められ、吳は李と楊にその実験がうまくいっており、さらに精査中であることを知らせた。

　そして、彼女は彼らにこのことは公にしないように頼んだ。しかしながら、李はこの結果をコロンビア大学の彼の同僚に、1957年1月4日のコロンビア大学物理学科の"金曜ランチ"セミナーにおいて打ち明けた。

　そのメンバーのうち三人、R. L. Garwin、レオン・レーダーマン、およびR. Weinrichは既存の低温物理学実験を修正して、直ちにパリティ対称性の破れを検証した。彼らは吳のグループが論文を投稿する準備が整うまで公表を遅らせ、こうして同じ物理の論文誌にこれら二つの論文が連続して掲載された。この結果、実証実験を行った呉にはノーベル賞が贈られることはなかった。

　彼女のこの貢献は李たちの理論の確立にとって非常に有益だったと考える者もいるが、この研究によって李と楊が受賞したノーベル物理学賞で呉は受賞の対象とならなかった。この事実はノーベル賞選考委員会の性差別主義によるものとして広く非難された。呉の著書 Beta Decay（1965年）は現在でも原子核物理学の標準的な参考書となっている。

　ベータ崩壊とは何か？

　放射性核種がβ線を放出して自然崩壊する過程をいう。β線は電子より成るから、β崩壊によって，もとの原子核は原子番号が1だけ大きく，質量数が同じ原子核に転換する。

　β崩壊は原子核中の中性子が陽子、電子および反ニュートリノに転換し、陽子は原子核内にとどまり、電子と反ニュートリノとが原子核外に放出される現象である。放射性物質の放つ放射線は、ヘリウム原子核であるアルファ線（α線）、電子であるベータ線（β線）、波長の非常に短い電磁波であるガンマ線（γ線）からなる。

　ところで、アルファ線とガンマ線のエネルギー分布は常に離散的な値を示すが、ベータ線だけはなぜかそのエネルギー分布は連続的な値を示す。この不可解なベータ線の連続的なエネルギーレベルを説明するためにベータ崩壊の理論が探索された。

　まず、ベータ崩壊をする原子核は量子力学における状態として連続的な状態を取ると考えられたが、ベータ崩壊をする原子核の放出するアルファ線やガンマ線はやはり離散的なものであったことから否定された。

　次に、はじめはアルファ線やガンマ線と同一のエネルギーレベルで放出されたベータ線が、二次的に散乱されたり、吸収されるため連続的な値を取るのではないかと予想されたが、Ellis と Wooster によって否定された（1927年）。

　ヴォルフガング・パウリは、新粒子の存在を仮定すればベータ崩壊の連続エネルギー分布が説明できることを指摘した。すなわち、ベータ崩壊においては電子と一緒に、何か普通の方法では観測できない未知の粒子がもう一つ放出されており、ベータ崩壊の前後における原子核のエネルギーの差は、電子とこの新粒子との間に分けられているため、ベータ線（電子）のエネルギーは0からある一定値までの連続的な任意の値を取るのではないかとした（1931年）。

　これに対して、ニールス・ボーアは1934年に、ベータ崩壊のような原子核の内部の現象は原子スペクトルなどとは違って、もっと程度の高い本質的に新しい物理学の範囲に属するから、必ずしもエネルギー保存則は厳密にも成り立たなくても良いという仮説を提出し、パウリの新粒子説に反対した（エネルギー非保存仮説）。

　しかしながら、その後このボーアのエネルギー非保存仮説は、実験及び理論の両面からその矛盾が指摘され、結局パウリの新粒子説が優勢となった。そのパウリの新粒子はニュートリノ（neutrino；中性微子）と名付けられ、ベータ崩壊の理論（弱い相互作用の理論）建設の端緒となった。

　弱い相互作用とは何か？

　弱い相互作用（weak interaction）は、自然界の基本的な4つの相互作用の一つ。素粒子の間に働く。弱い力、弱い核力とも。この相互作用による効果として代表的なものにベータ崩壊がある。電磁相互作用と比較して、力が非常に弱いことからこの名がついた。

　重力相互作用や電磁相互作用が無限遠まで作用する力であるのに対し、弱い相互作用は素粒子レベルの非常に近い範囲にしか作用しない。引力･斥力である他の基本相互作用とは異なり質量0の素粒子（ただし標準模型では質量0とされたニュートリノは質量をもつことが判明している。）にも作用することから、引力･斥力に分類する力ではない。

　電弱統一理論によって電磁相互作用と統一される。これは、宇宙の初期では電磁相互作用と弱い相互作用が区別できなかったことを示している。

　弱い相互作用は、パリティ対称性や電荷対称性を破る唯一の力である。クォークの世代が3つ以上の場合は、小林・益川理論によりCP対称性の破れも起こる。また、媒介粒子Wボソン / Zボソンは、自発的対称性の破れによって非常に大きな質量をもつ。

　素粒子の一つ、ニュートリノはこの弱い相互作用しか感応しないので、他の物質に与える影響が非常に少なく、それによって検出することも困難となっている。

　電弱統一された形で、ワインバーグ＝サラム理論によって記述される。保存される量は弱アイソスピンとハイパーチャージであり、ゲージ群はSU(2)×U(1)である。自発的対称性の破れによってそのうちの一部が電磁力、電荷、U(1)として分離する。

参考　Nobelprize：　Chen Ning Yang　Tsung-Dao-Lee