量子力学と 相対論 は素粒子物理の基礎となっている。素粒子物理の対象は物質のミクロな構 造であるが、短い距離を探ることは 不確定性関係 ゆえ高いエネルギー領域に対応する。素粒子 物理が高エネルギー物理ともよばれるゆえんで ある。
素粒子の理論の基礎となるのは 相対論的な量子場の理論 で、その中でも ゲージ理論と呼ばれ る理論は特に重要である。現在知られている４ つの基本的相互作用 電磁相互作用、 強い相互作用、 弱い相互作用、 重力相互作用 のうち最初の３つはゲージ理論でよく記述できることが 知られている。この理論は 標準模型 と呼ばれ、２０世紀後半の物理学における最も重要な達成 の一つであると言っても過言ではない。
しかし、ゲージ理論が弱い相互作用を正しく 記述するためには ゲージ対称性 の自発的破れと いう現象が起こっていなければならない。 これを引き起こすのがヒッグス粒子 であり、これまでその探索が続けられていた。そしてついに２０１２年に， ヒッグスと思われる新粒子がLHC実験において発見された。 今後この新粒子の性質について詳細に調べることで，標準模型の実験的検証および 標準模型を超える新たな物理の探索が飛躍的に進むと期待されている。
標準模型に内在する理論的不満足さを解決するために, これまで種々の新たな物理が提唱されてきた。その中で，超対称理論 と呼ばれる理論が注目を集めている。この理論は３つの相互作用を１つに統合 する試みである 大統一理論 とも関係が深い。しかしこれらの理論に含まれる新粒子の存在を示 す証拠は見つかっていない。別の可能性と して、第２の強い相互作用が対称性の破れを起 こす可能性もある。また最近では 余剰次元を用いた 様々な模型も提唱されている。 いずれの場合にも、ＴeＶ エネルギー領域までに標準模型を超える物理が 現われることが期待される。
標準模型を越える物理に関連した素粒子現象を探索するため新しい 加速器の建設や既存の 加速器の改良が行われており、高エネルギー最前線、精密測定の両方向での 実験が計画されている。特に、昨年、本格的に始動したLHC 実検からは、 未知の粒子の発見や新しい知見が得られるだろうと期待されている。 一方、陽子崩壊の探索や ニュートリノの質量・混合 も大統一理論と関連する重要なテーマであり、 神岡をはじめとする 非加速器実験が成果をもたらして来ている。
重力はもっとも古くから知られた相互作用であり、古典論としては 一般相対論 という美しい理論が存在する。しかし、量子力学的な重力の理論は未完成であ る。また、重力の量子論的効果が重要になるのは宇宙のごく初期やブラックホー ルのような極めて特殊な場面に限られることも 量子重力 へのアプローチを難し いものにしている。量子重力理論の有力な候補として 超弦理論がある。 超弦理論は超対称性を重力まで拡張した 超重力理論 の有力な候補でもあるが、数学的 複雑さのため解析が難しい。最近再び興味ある発展がなされており、それに関 連して、 ブレーン時空、 ゲージ理論と重力理論の双対性、 非可換幾何などの 新奇な可能性が追求されているが、いまだに多くの未解決の問題を含んでいる。
素粒子理論の基礎である場の理論はそれ自身 数学的に興味深い性質を持っており、またその 応用範囲も広い。現代数学の概念は素粒子物理 に次々に適用されており、また逆に物理のアイ デアが数学の発展をもたらす状況も生じている。 これらの概念や手法は物性や生物物理にも応用 が見出されている。特に、量子場の理論は 凝縮系物理学の解析においても極めて有効であり、 これを用いて新しい発見がなされている。
一方、素粒子はもっともマクロな構造である宇宙とも深く関わっている。宇宙 初期の高温の時期には、素粒子が 宇宙論の 主役を演ずるためである。また、加速器実験 では未踏の超高エネルギー領域の物理が宇宙進化に重要な寄与を与える。宇宙の 誕生直後には、真空の大きなエネルギーによって インフレーションと 呼ばれる急激な膨張が起こったと考えられている。 この宇宙の急激な膨張の後に、真空 のエネルギーが輻射として解放され、熱い ビッグバン宇宙がはじまり、膨張に よる冷却といくつかの 相転移を 経て、今日の宇宙へと進化してきた。宇宙初期 を研究するには素粒子理論の知識が必要不可欠であり、また、逆に初期宇宙の 研究から、素粒子物理学に対して大きな知見が得られると期待される。こうし た観点から素粒子物理学に立脚した初期宇宙の研究が、最近の宇宙観測の発 展にも刺激されて活発に進められている。とりわけ、宇宙の組成の大部分を占める 暗黒エネルギー、 暗黒物質が 素粒子の標準理論では説明できず、重力理論の 変更の可能性までを含む新たな素粒子物理学を必要としていることは興味深い ことであり、宇宙の組成を説明することはそこに住む我々にとって大きな課題 である。
当研究室では、これら素粒子理論および素粒子的宇宙論の研究を広範囲に渡っ て行っている。以下に主なものをあげてみよう。