考える波 第 25 回 / 第 X 部・仮定を壊す

第 18 回の「箱」を、本物に取り替える

強い力を波として見る ──
閉じ込めは箱ではなく、弦だった ハドロンの質量を直線に並べるだけで、弦の張力が 14 トンと出ます。
そして弦の太さを決める \(\Lambda_{\rm QCD}\) は ── 無次元の結合定数から生まれていました。
身の回りの質量の 99 % は、無次元量が次元を獲得したものだったのです。

必要な道具:第 5, 6, 7, 9, 18, 19, 23 回計算:kenshou/tsuyoi.js

前回はいちばん弱い力(重力)を見ました。今回は反対側 ── いちばん強い力です。
そして第 18 回で「桁は合ったが 1.5 倍 ずれた」と書いた見積もりの、理由が分かります。

01第 18 回の「箱」を、本物に取り替える

場の形ポテンシャル振る舞い
電磁気場が全方向へ広がる\(V\propto-1/r\)力は \(1/r^2\) で弱くなる
湯川(第 6 回)遮断より下は減衰\(V\propto-e^{-r/\lambda}/r\)\(\lambda\) より遠くへ届かない
★ 強い力★ 場が弦に絞られる\(V\propto+\sigma r\)★ 距離によらず一定の力

01節の中心

電磁気も湯川も「遠ざかると弱くなる」。強い力だけは、遠ざかっても弱くならない。
だから閉じ込められる ── 第 18 回で使った「箱」は、本当は弦(フラックスチューブ)でした。

02ハドロンの質量から、弦の張力を測る

回転する弦の関係 ── レッジェ軌道 $$J=\alpha'M^2+\alpha_0,\qquad \alpha'=\frac{1}{2\pi\sigma}$$

\(\sigma\) が弦の張力。実測のハドロンを並べて傾きを測る

粒子質量 \(M\) [GeV]\(M^2\) [GeV²]スピン \(J\)直線の予言
\(\rho(775)\)0.775260.6010310.9770
\(a_2(1320)\)1.318201.7376522.0174
\(\rho_3(1690)\)1.688802.8520533.0374
\(a_4(1970)\)1.967003.8690943.9682
最小二乗で傾きを出す $$\alpha'=0.9153\ \text{GeV}^{-2}\ (\text{文献値 約 }0.9),\qquad \alpha_0=0.4269\ (\text{文献値 約 }0.48)$$ $$\sigma=\frac{1}{2\pi\alpha'}=0.1739\ \text{GeV}^2=0.8812\ \text{GeV/fm}=1.41\times10^{5}\ \text{N}$$

02節の中心

★★ 弦の張力は 14.4 トン重。

クォーク 1 組を引き離すのに 14 トンの力が要り、しかも距離によらず一定です。だから絶対に引き離せない。

ハドロンの質量を直線に並べただけで、この数字が出ました。

03弦の梯子 ── 第 6 回の導波管と同じ構造

関係式梯子の番号正体
導波管(第 6 回)\(\omega^2=\omega_c^2+c^2k^2\)モード番号 \(n\)遮断周波数の梯子
箱(第 18 回)\(E=2.04\hbar c/R\)節の数境界条件の梯子
★ 弦(本回)\(M^2=(J-\alpha_0)/\alpha'\)★ 角運動量 \(J\)★ 回転モードの梯子

三つとも「境界条件が離散的なモードを作る」という同じ話です。違うのは境界の作り方だけ ── 壁、箱、そして弦の張力。

\(J\)弦が予言する \(M\) [GeV]実測の候補
52.2353\(\rho_5(2350)\) \(M=2.33\)
62.4676\(a_6(2450)\) \(M=2.45\)
72.6798──

04色の数を測る ── 断面積の比という無次元量

R 比 ── 完全に無次元(第 7 回) $$R=\frac{\sigma(e^+e^-\to\text{ハドロン})}{\sigma(e^+e^-\to\mu^+\mu^-)}=N_c\sum q^2$$
エネルギー帯素朴な \(R\)(\(N_c=3\))QCD 補正込み実測の目安
\(\sqrt s=2\sim3\) GeV(u,d,s)2.0002.159約 2.2
\(\sqrt s=5\sim10\) GeV(+c)3.3333.556約 3.6
\(\sqrt s=20\sim40\) GeV(+b)3.6673.830約 3.9

04節の結論

\(N_c=3\) を入れると、三つの帯すべてが実測と合います。\(N_c=1\) なら \(R\) は 1/3 になり、まったく合いません。

「色が 3 つある」は、無次元の比として直接 測られた事実でした。
第 19 回(タウの寿命)と本回(R 比)── 独立な二つの測り方が一致します。

05漸近的自由 ── なぜ QED と逆向きに走るのか

係数の中身 $$\beta_0=\underbrace{11}_{\text{グルーオンの自己相互作用(反遮蔽)}}-\underbrace{\tfrac23 n_f}_{\text{クォーク対(QED と同じ向き)}}$$
\(n_f\)\(\beta_0=11-2n_f/3\)結合の向き
011.000★ 漸近的自由
6(現実)7.000★ 漸近的自由(近づくと弱い)
160.333ぎりぎり
17\(-0.333\)★ QED と同じ向きになる

\(n_f<16.5\) なら漸近的自由。現実は 6 種類なので余裕で成立します。「クォークが 17 種類あったら閉じ込めは起きなかった」── ただし紙一重ではありません。

06★ 次元転移 ── 無次元量から、質量が生まれる

結合が発散するスケールを逆に解く $$\frac{1}{\alpha_s(\mu)}=\frac{\beta_0}{2\pi}\ln\frac{\mu}{\Lambda}\quad\Longrightarrow\quad \Lambda=\mu\exp\Bigl(-\frac{2\pi}{\beta_0\alpha_s(\mu)}\Bigr)$$ $$\alpha_s(m_Z)=0.1179\ \Longrightarrow\ \Lambda_{\rm QCD}=87.3\ \text{MeV}\quad(\text{文献値 約 }210\ \text{MeV、二ループ以上})$$

06節の中心 ── この回いちばん重要なところ

入力は無次元の \(\alpha_s\) だけ。
なのに、次元を持つ質量スケール \(\Lambda_{\rm QCD}\) が出てくる。

これを次元転移と言います。第 5 回の「定数は \(\ln\mu\) の積分」の、もっとも劇的な帰結 ── 積分の結果として、新しい次元が生まれます。

対応する長さは \(\hbar c/\Lambda\)。一ループでは 2.26 fm ですが、文献値の \(\Lambda=210\) MeV なら 0.94 fm ── 陽子の電荷半径 0.84 fm とほぼ同じです。

\(\alpha_s(m_Z)\)\(\Lambda_{\rm QCD}\) [MeV]\(\hbar c/\Lambda\) [fm]
0.110053.03.723
0.115073.32.693
0.117987.32.260
0.120098.62.001
0.1250129.61.523

06節 ── 第 18 回が、ここで完成する

\(\alpha_s\) が 6 % 動くだけで \(\Lambda\) は 2 倍 近く動きます(指数関数だから)。陽子の大きさは、無次元の結合定数に指数関数的に敏感。

★★ そして第 18 回とつながります ──

陽子の質量の 99 % は「閉じ込め」= \(\Lambda_{\rm QCD}\) 由来。
★ その \(\Lambda_{\rm QCD}\) は、無次元の \(\alpha_s\) から次元転移で生まれた。

── ★ 身の回りの質量の 99 % は、無次元量から生まれている。

第 7 回の「意味があるのは無次元量だけ」が、「次元を持つ量は、無次元量から作られる」にまで進みました。

07質量ゼロなのに届かない ── 第 6 回の例外

媒介粒子質量 [GeV]到達距離理由
光子0\(\infty\)線形。場が広がる
W ボソン80.4\(2.5\times10^{-3}\) fm第 6 回。質量による遮断
★ グルーオン0★ 約 1 fm★ 非線形。場が弦に絞られる

07節の中心 ── 第 23 回が効いてくる

第 6 回の「質量=遮断」は、線形理論の話でした。非線形では、質量なしでも閉じ込めが起きます ──

グルーオンが色を持つ → グルーオン同士が引き合う
→ 場が広がらずに弦に絞られる → 力が距離によらず一定

★★ 第 23 回の非線形が、ここで場の形そのものを変えています。

対比をまとめると ──
線形 + 質量あり → 指数関数的に減衰(湯川、第 6 回)
線形 + 質量なし → 無限遠まで届く(電磁気)
非線形 + 質量なし → 弦になって閉じ込め(QCD、本回)

08粒子を共鳴として見る ── 第 9 回の線幅

粒子質量 [GeV]幅 \(\Gamma\) [GeV]\(\Gamma/M\)寿命 [s]
\(\Delta(1232)\)1.23200.117\(9.5\times10^{-2}\)\(5.6\times10^{-24}\)
\(\rho(770)\)0.77530.1476\(1.9\times10^{-1}\)\(4.5\times10^{-24}\)
\(J/\psi\)3.0969\(9.26\times10^{-5}\)\(3.0\times10^{-5}\)\(7.1\times10^{-21}\)
Z ボソン91.1882.4955\(2.7\times10^{-2}\)\(2.6\times10^{-25}\)
ヒッグス125.250.0041\(3.3\times10^{-5}\)\(1.6\times10^{-22}\)

08節の中心

\(\rho\) の幅は質量の 19 % ── ★ 一周期 振動する前に崩れます。
第 9 回の言葉では「\(\Delta\omega\) が \(\omega\) と同じ桁」── 波として数えられる限界です。

逆に \(J/\psi\) は \(\Gamma/M=3\times10^{-5}\) ── 強い相互作用で崩壊するのに、\(\rho\) の 6400 倍 細い
★ 理由は「行き先が閉じている」こと(OZI 抑制)── 第 19 回の \(^{187}\)Re とまったく同じ構造です。終状態のモードが使えないと、遷移率が落ちる。

練習問題

  1. 第 18 回の「箱」の見積もりが 1.5 倍 ずれた理由を、本回の言葉で。
    答えを見る
    境界の形が違ったから。箱では場が三次元に広がり、エネルギーは \(\hbar c/R\) に比例します。
    弦では場が一次元に絞られ、エネルギーは \(\sigma R\)(張力 × 長さ)── まったく別の \(R\) 依存です。
    ★ 実際の陽子は両方の性質を持ちます(近距離はクーロン的、遠距離は弦的 ── コルネル・ポテンシャル \(V=-4\alpha_s/3r+\sigma r\))。
    本回で分かったのは、遠距離側が弦だということです。
  2. 「色が 3 つ」の証拠を二つ挙げ、それぞれが何を測っているか言え。
    答えを見る
    ① R 比(本回):\(e^+e^-\) からハドロンができる断面積と、ミューオン対ができる断面積の比。「クォークの状態が何通りあるか」を数えています。
    ② タウの寿命(第 19 回):崩壊路の本数が 5.6 本と出て、うち 3 本がハドロン。「崩壊の行き先が何通りあるか」を数えています。
    どちらも「終状態の数」を数えていて、どちらも無次元 ── 第 7 回の「意味があるのは無次元量だけ」がそのまま効いています。
  3. 次元転移がなぜ「劇的」なのか。
    答えを見る
    入力に次元がないのに、出力に次元があるから。
    古典物理では、質量スケールは必ず入力として与えます(ばね定数、弦の長さ…)。ところが QCD では、入力は無次元の \(\alpha_s\) ひとつだけ。それを \(\ln\mu\) で積分すると、結合が発散するスケール \(\Lambda\) が出てくる。
    第 5 回の「定数は積分値」が、ここでは「次元そのものが積分値」にまで進んでいます。
    ★ そして第 15 回の「当たるのは無次元量、外れるのは次元を持つ量」への、いちばん強い補足になります ── 次元を持つ量は、無次元量から作られる。

まとめ 弦の張力 14 トンと、次元転移

第 18 回の「箱」は、本当は弦(フラックスチューブ)でした。電磁気も湯川も遠ざかると弱くなりますが、強い力だけは弱くならない ── だから閉じ込められる。

ハドロンの質量を \(M^2\) と \(J\) で並べるときれいな直線(レッジェ軌道)に乗り、その傾きから \(\alpha'=0.915\) GeV⁻²、弦の張力 \(\sigma=14.4\) トン重が出ます。距離によらず一定の 14 トン ── だから絶対に引き離せない。そして弦の梯子は、第 6 回の導波管・第 18 回の箱と同じ「境界条件が離散モードを作る」構造でした。

色の数は R 比という無次元量として直接 測れます(\(N_c=3\) で三つの帯すべてが合う)── 第 19 回のタウの寿命と、独立に一致。

漸近的自由は \(\beta_0=11-2n_f/3\) の 11(グルーオンの自己相互作用)のおかげ。そしてそれを逆に解くと ── ★ 無次元の \(\alpha_s\) だけから、次元を持つ \(\Lambda_{\rm QCD}\) が生まれます(次元転移)。対応する長さは 0.94 fm ── 陽子の大きさそのもの。

★ 陽子の質量の 99 % は閉じ込め=\(\Lambda_{\rm QCD}\) 由来で、
その \(\Lambda_{\rm QCD}\) は無次元量から生まれた。

そしてグルーオンは質量ゼロなのに 1 fm しか届きません ── 第 6 回の「質量=遮断」は線形理論の話で、非線形(第 23 回)では質量なしでも閉じ込めが起きる。粒子を共鳴として見れば \(\rho\) は幅が質量の 19 % ── 波として数えられる限界です。

この文書は「考える波」シリーズ第 25 回です。計算は kenshou/tsuyoi.js で行っています。本回の数値について:レッジェ軌道に使った 4 つのハドロンの質量は PDG の値で、最小二乗の傾き \(\alpha'=0.9153\) は本稿の計算です(文献では 0.88〜0.9 が代表値。どの粒子を軌道に乗せるかで少し変わります)。弦の張力 14.4 トン重はその \(\alpha'\) から出した値で、格子 QCD の \(\sigma\approx0.18\) GeV²(約 15 トン重)と整合します。\(J=5,6,7\) の予言と「実測の候補」の対応は目安で、これらの共鳴の同定には議論があります。R 比の「実測の目安」は測定値の代表値で、本稿が解析したものではありません(QCD 補正は一次のみ)。\(\Lambda_{\rm QCD}=87\) MeV は一ループの値で、文献の 210 MeV(\(\overline{\rm MS}\)、二ループ以上、\(n_f=5\))とは 2 倍 以上 違います ── \(\Lambda\) はスキームとループ次数に強く依存する量なので、この差は誤りではなく定義の違いです。「弦」の描像は遠距離のみで成り立ち、近距離ではクーロン的です(コルネル・ポテンシャル)。OZI 抑制の説明は定性的なもので、本稿は導出していません。 ── 印刷する場合はブラウザの「印刷」から「PDF に保存」を。

印刷 / PDF 化:⌘+P(Windows は Ctrl+P)。「答えを見る」で解答が開きます。