深ふか非ひ弾性だんせい散乱さんらん

ハドロンによるレプトンの深ふか非ひ弾性だんせい散乱さんらんを最低さいてい次じまで摂動せつどう展開てんかいしたダイアグラム

深ふか非ひ弾性だんせい散乱さんらん（しんひだんせいさんらん 英えい: Deep inelastic scattering）はハドロン（特とくに陽子ようしや中性子ちゅうせいしなどのバリオン）の内部ないぶを電子でんしやミュー粒子りゅうし、ニュートリノにより調査ちょうさするために用もちいられる過程かていである。その当時とうじは純粋じゅんすいに数学すうがく的てきな現象げんしょうであると考かんがえる者ものも多おおかった、クォークが実在じつざいすることの最初さいしょの決定的けっていてき証拠しょうこをもたらした。最初さいしょの試こころみは1960年代ねんだいから1970年代ねんだいにかけてであり、ラザフォード散乱さんらんを非常ひじょうに高たかいエネルギーに拡張かくちょうした過程かていと考かんがえることができ、そのため核かく子この構成こうせい要素ようそをより細こまかい分解能ぶんかいのうで調しらべることができる。深部しんぶ非ひ弾性だんせい散乱さんらんとも。

用語ようごの各かく部分ぶぶんを説明せつめいする。「散乱さんらん」はレプトン（電子でんし、ミューオン、ほか）が偏向へんこうされることを意味いみする。偏向へんこうされる角度かくどを観測かんそくすることによりこの過程かていの性質せいしつを調しらべることができる。「非ひ弾性だんせい」とは標的ひょうてきが入射にゅうしゃ粒子りゅうしの運動うんどう量りょうの一部いちぶを吸収きゅうしゅうすることを意味いみする。実際じっさい、レプトンのエネルギーが非常ひじょうに高たかい場合ばあい、標的ひょうてきは「破砕はさい」されて多数たすうの新しん粒子りゅうしを放出ほうしゅつする。これらの粒子りゅうしはハドロンであり、極度きょくどに単純たんじゅん化かするとこの過程かていは標的ひょうてきを構成こうせいしていたクォークが「叩はたき出で」され、クォークの閉とじ込こめのために観測かんそく不可能ふかのうなクォークのかわりにハドロンが生成せいせいされるハドロン化かが起おこると解釈かいしゃくすることができる。「深ふかし」とはレプトンが標的ひょうてきハドロンのサイズよりも短みじかい波長はちょうをもつほどに高たかいエネルギーを持もち、そのため標的ひょうてきの「深ふかし」部ぶを調しらべることができるという意味いみである。また、摂動せつどう近似きんじによれば、レプトンから発はっした高こうエネルギー光子こうしが標的ひょうてきハドロンに吸収きゅうしゅうされ、構成こうせいクォークの一ひとつにエネルギーが移送いそうされるという、図ずのダイアグラムに示しめすような過程かていとして理解りかいすることもできる。

歴史れきし

物理ぶつり学がくの標準ひょうじゅん模型もけい、特とくにマレー・ゲルマンの1960年代ねんだいの業績ぎょうせきはそれまでは別々べつべつの概念がいねんだった素粒子そりゅうし物理ぶつり学がく上うえの概念がいねんの殆ほとんどを、比較的ひかくてき単純たんじゅんな形式けいしきで統合とうごうすることに成功せいこうした。本質ほんしつ的てきには、三さん種類しゅるいの素粒子そりゅうしが存在そんざいする。

• レプトンは低てい質量しつりょう粒子りゅうしで、電子でんし、ニュートリノ、それらの反はん粒子りゅうしなどを含ふくむ。整数せいすう電荷でんかを持もつ。
• ゲージボソンは力ちからの交換こうかんを媒介ばいかいする粒子りゅうしである。質量しつりょうが無なく観測かんそくが容易よういな光子こうし（電磁でんじ力りょくを媒介ばいかいする）や、観測かんそくしづらい（が質量しつりょうは無ない）グルーオン（強つよい力ちからを媒介ばいかいする）などを含ふくむ。
• クォークは分数ぶんすう電荷でんかを持もち、質量しつりょうを持もつ粒子りゅうしである。ハドロンの構成こうせい要素ようそである。強つよい力ちからを受うける唯一ゆいいつの粒子りゅうしである。

レプトンは1897年ねん、電流でんりゅうが電子でんしの流ながれであることを示しめしたJ. J. トムソンにより検出けんしゅつされた。ゲージボソンは、光子こうしは日常にちじょう的てきに検出けんしゅつされており、1980年代ねんだい初頭しょとうに電でん弱じゃく力りょくを媒介ばいかいする W⁺, W⁻, Z⁰ は分類ぶんるい上じょうのみ観測かんそくされ、グルーオンはハンブルクのDESYによりほぼ同時どうじに検出けんしゅつされた。しかし、クォークはいまだに捉とらえられていない。

20世紀せいき初頭しょとうに行おこなわれたラザフォードの画期的かっきてきな実験じっけんと同様どうようのアイデアでクォークの検出けんしゅつを試こころみることができる。ラザフォードはアルファ粒子りゅうしを金きむ原子げんしに照射しょうしゃすることによって原子げんしが小ちいさく質量しつりょうのほとんどを持もち、電荷でんかを帯おびた核かくをもつことを証明しょうめいした。ほとんどのアルファ粒子りゅうしはほとんどもしくは全まったく偏向へんこうされずに通過つうかするが、一部いちぶが大おおきな偏向へんこう角かくを示しめしたり、跳はね返かえされたりしたのである。このことは原子げんしが内部ないぶ構造こうぞうを持もち、ほとんどが何なにもない空間くうかんであることを示唆しさした。

バリオンの内部ないぶを調査ちょうさするためには、小ちいさく、貫通かんつう力りょくが強つよく、そして簡単かんたんに生成せいせいできる粒子りゅうしを使つかう必要ひつようがある。電子でんしは、大量たいりょうに存在そんざいし、電荷でんかを持もつため簡単かんたんに加速かそくできるのでこの用途ようとに理想りそう的てきである。1968年ねん、スタンフォード線形せんけい加速器かそくきセンター (SLAC) において、電子でんしを原子核げんしかく中ちゅうの陽子ようしと中性子ちゅうせいしに照射しょうしゃする実験じっけんが行おこなわれた。その後ごミューオンとニュートリノを使つかった実験じっけんも行おこなわれたが、同おなじ原理げんりで取とり扱あつかえる。

この衝突しょうとつにより運動うんどう量りょうの一部いちぶが吸収きゅうしゅうされるため、この過程かていは非ひ弾性だんせい散乱さんらんである。これはラザフォード散乱さんらんがエネルギー損失そんしつを伴ともなわない弾性だんせい散乱さんらんであるのと対照たいしょう的てきである。原子核げんしかくから出でてきた電子でんしの軌跡きせきと速度そくどを観測かんそくする。

この結果けっかを解析かいせきすることにより、以下いかのような結論けつろんが得えられた。

• ハドロンには内部ないぶ構造こうぞうがある。
• バリオン内部ないぶには三みっつの偏向へんこう点てんがある（つまりバリオンは三みっつのクォークで構成こうせいされる）。
• 中間子ちゅうかんし内部ないぶには、二ふたつの偏向へんこう点てんがある（つまり中間子ちゅうかんしはクォークと反はんクォークで構成こうせいされる）。
• クォークは電子でんしと同様どうように点てん電荷でんかであるかに見みえ、標準ひょうじゅん模型もけいの示唆しさするところの分数ぶんすう電荷でんかを持もつ。

この実験じっけんはクォークが物理ぶつり的てきに実在じつざいすることを示しめしただけではなく、標準ひょうじゅん模型もけいが正ただしいことを示唆しさし、素粒子そりゅうし物理ぶつり学者がくしゃに研究けんきゅうの方向ほうこう性せいを指さししたという意味いみで重要じゅうようである。