The Ideas of Particle Physics: An Introduction for Scientists（素粒子物理学の考え方：科学者のための入門）

引用

Dodd, J. E., & Gripaios, B. (2020). The Ideas of Particle Physics (4th ed.). Cambridge University Press.

章の要約

本書は64の短い章からなり、各4〜5章の15の部に分かれる。付録として、単位と定数、用語集、記号表、文献表、素粒子データ表が付く。序文によれば、第I–IX部は1980年代初めの初版までの発展をたどり、第X部以降はその後の40年間を扱う。叙述はおおむね年代順だが、必要に応じて、ほぼ独立した話題のまとまりとして組み立てられている。

第I部（第1–4章）：序論

物質と光；特殊相対性理論；量子力学；相対論的量子論。この部は本書の二つの土台、すなわち相対論と量子論を与える。原子と初期の放射線実験から始まり、シュレーディンガーの波動関数とスピンを経て、ディラック方程式、反粒子、場の量子論、量子電磁力学に至る。

第II部（第5–8章）：素粒子物理の基礎

基本的な力；ミクロの世界の対称性；中間子；ストレンジ粒子。四つの力、対称性（時空、離散、内部、破れた対称性）の役割、そして最初の粒子の族（パイ中間子とミュー粒子、K中間子とハイペロン）が紹介される。

第III–V部（第9–18章）：強い相互作用の物理；弱い相互作用の物理 I・II

「共鳴粒子」と「SU(3)とクォーク」で強い相互作用の話が始まる。第IV部と第V部は弱い力をたどる。パリティの破れ、フェルミの理論、二種類のニュートリノ、中性K中間子とCP対称性の破れ、カレント–カレント理論、ニュートリノ–電子散乱、ハドロンの弱い相互作用、Wボソンである。

第VI–IX部（第19–36章）：ゲージ理論、深非弾性散乱、量子色力学、電子・陽電子衝突

第VI部は「理論の動機」から出発し、ゲージ理論と自発的対称性の破れを経て、グラショウ–ワインバーグ–サラム模型とWボソン・Zボソンの探索に至る。第VII部は深非弾性散乱と構造関数のクォーク模型を扱う。第VIII部は量子色力学（色をもつクォーク、色のゲージ理論、漸近的自由、クォークの閉じ込め）を示し、第IX部は電子・陽電子実験、チャーム、第三世代を扱う。

第X部（第37–41章）：標準模型

模型の要約；模型の精密検証；フレーバー混合とCP対称性の破れ；大型ハドロン衝突型加速器；ヒッグスボソンの発見と性質。この部は近年数十年の模型と実験をまとめ、ヒッグスボソンで終わる。

第XI部（第42–47章）：標準模型を超えて

超えるべき理由；ニュートリノの質量と混合；大統一；超対称性；複合ヒッグス模型；アクシオンと強いCP問題。各章は提案された拡張と、それが解こうとする問題を示す。

第XII–XIII部（第48–56章）：素粒子物理と宇宙論；重力と重力波

第XII部はビッグバンとインフレーション、宇宙マイクロ波背景放射、物質・反物質の非対称性、暗黒物質、暗黒エネルギーを扱う。第XIII部は一般相対性理論から重力波の発見、重力波天文学までを扱う。

第XIV–XV部（第57–64章）：弦理論；未来

第XIV部はハドロンの弦からM理論、AdS–CFT対応までを扱う。第XV部は加速器と観測施設、既知の未解決問題、そして未解決の量子重力の問題を概観する。

主要概念

第I–V部：基礎と二つの核力

• 反粒子と量子場：第4章でディラック方程式と場の量子論を通して導入される。
• 対称性：時空、離散、内部、破れた対称性。第6章の主題。
• パリティとCP対称性の破れ：第11章と第14章の話題。

第VI–X部：ゲージ理論と標準模型

• ゲージ理論とヒッグス機構：第20–21章と、第22章のグラショウ–ワインバーグ–サラム模型。
• クォークの閉じ込めと漸近的自由：量子色力学の部の第32–33章。
• 精密検証：模型を測定と照らし合わせる第38章。

第XI–XV部：模型を超えて

• 超対称性、大統一、アクシオン：第44、45、47章。
• 暗黒物質と暗黒エネルギー：第51–52章。
• AdS–CFT：第59章。

批判的分析

長所

• 広い範囲を順序立てて扱う。 64の章が20世紀初頭から重力波までを追い、序文は歴史的順序とほぼ独立した話題のまとまりとを組み合わせることで筋道を保っている。
• 短い単位。 序文の説明では、各部は4〜5の短い章からなり、完結した話題がほぼ独立した単位として示されるため、拾い読みしやすい。
• 概念中心であることを明示。 序文は、本書に数学的な導出も複雑な公式もなく、一般向け科学書の単純化を超えた所へ読者を連れて行くことを目指すと述べる。用語集と記号表が読解を助ける。
• 第三者による評価。 Dave Barney は CERN Courier（2021年11月）で第四版を評し、基礎物理の美しさを伝える優れた本であるとし、過去30〜40年に発展した理論を扱う後半の章を高く評価している。

短所

• 教科書ではない。 序文は、本書が教科書のような精密さと厳密さを主張しないと述べており、計算を伴う授業の代わりにはならない。
• 読みやすい本ではない。 Barney は決して易しい読み物ではないと強調し、序文も最新の話題の章は長く、より集中を要すると注意している。
• 最近の物理の扱いにむらがある。 Barney は、LHCに割かれた言葉が少ないこと、ヒッグスボソンの探索がさらりと流されていること、自発的対称性の破れにおけるヒッグスボソンの役割の説明が分かりにくいことを指摘している。

コースにおける位置づけ

原子核・素粒子物理の読書リストの中で、本書は短い一般向け読み物と計算中心の教科書との間に位置する概念的な概観である。Frank Close の Particle Physics: A Very Short Introduction はずっと短く数学を使わず、最初の一冊に向く。Griffiths の Introduction to Elementary Particles は、本サイトの紹介ではファインマン則と計算を備えた標準的な学部教科書であり、Martin と Shaw の Nuclear and Particle Physics は入門的な量子力学と特殊相対性理論を前提とする学部向けの本である。Krane の Introductory Nuclear Physics は原子核の側を扱い、この部分は Dodd と Gripaios の本ではほとんど扱われていない。

適した組み合わせは、計算中心の教科書と併読することである。本書が実験の経緯と各アイデアの理由を、教科書が技法を受け持つ。

本書の使い方

序文は、本書を主に物理科学、数学、工学など数理的な分野のgraduatesに向けたものとし、質量・運動量・エネルギーといった基本的な物理概念になじんでいることを前提とする。式が現れるのは、考え方を説明するときに限られる。

実践的な進め方は次のとおり。

• 中核： 基礎として第I・II部、ゲージ理論と標準模型として第VI・X部、量子色力学として第VIII部。
• 歴史的な積み上げ： 第III–V部と第VII–IX部。素早く読んで模型がどう組み上げられたかを知るか、授業が弱い相互作用や深非弾性散乱に達したときに参照する。
• 任意の最先端の話題： 第XI–XV部（標準模型を超える理論、宇宙論、重力波、弦理論）。序文が、これらにはより多くの時間が要ると警告しているので、中核の後に読むのがよい。
• 補助： 用語集（付録B）を記憶の手がかりとし、文献表を発展的な読書に使う。