パリティ対称性とは｜Parity Symmetry 空間反転対称性 P対称性
パリティ対称性（Parity symmetry、P対称性、）とは、「空間反転対称性（Space inversion symmetry, inversion symmetry）」とも呼ばれ、物理現象が空間座標のすべての軸を原点を中心に反転（\[\vec{x}\rightarrow -\vec{x}\]）したときにも変化しない、あるいは同じ物理法則が成り立つという対称性を指します。
1. パリティ対称性とは何か？
パリティ対称性とは、空間の座標系を鏡に映すように、3次元座標をすべて反転（符号をマイナスに変換）する操作を行ったときに、物理法則が不変（変化しない）という性質のことです。
- 数式的には、空間座標 (x,y,z) を (-x,-y,-z) に置き換える操作です。
- もしある物理系が、この空間反転操作に対して不変ならば、「パリティが保存される」と言います。
- 一方、空間反転をして物理法則が変化する場合は、「パリティ対称性が破れている」と表現します。
2. なぜパリティ対称性が重要なのか？
パリティ対称性は、古典物理学の多くの分野で暗黙的に成り立っていると考えられていました。例えば、ニュートン力学や電磁気学のマクスウェル方程式は、パリティ操作で全く同じ形を保ちます。
しかし、素粒子物理学の分野では、この「当然に成り立つ」とされていたパリティ対称性が破れていることが発見され、大きな注目を浴びました。この発見は、物理学における基本的な前提を覆す画期的な出来事でした。
3. パリティ対称性の歴史的成立過程
パリティ対称性の概念は、量子力学と素粒子物理学が発展する1930年代以降に明確化されました。
(1) 初期：古典物理学からの流れ
- 古典物理学では、運動方程式や電磁場の方程式は空間反転に対して自然に不変であるため、物理法則はパリティ対称性を持つと信じられていました。
(2) 量子力学の発展とパリティの定式化（1920年代〜1930年代）
- 量子力学が確立される中で、1927年にユージン・ウィグナーが量子力学的な対称性としてパリティ変換を数学的に定義しました。
- この過程でパリティは、物理法則における基本的な「対称操作」としての地位を確立しました。
(3) 素粒子物理学でのパリティ対称性（1940年代〜1950年代）
- 第二次世界大戦後、素粒子物理学が急速に発展しました。当時、強い相互作用（核力）と電磁相互作用については、パリティ対称性は自明に成立するとみなされていました。
- しかし1950年代には、弱い相互作用（放射性崩壊を起こす力）について疑問が生じました。
4. パリティ対称性の破れの発見（1956〜1957年）
1956年に李政道（T.D. Lee）と楊振寧（C.N. Yang）が、弱い相互作用について「パリティ対称性が破れている可能性」を理論的に指摘しました。
- 1957年には、実験物理学者の呉健雄（C.S. Wu）が、コバルト60原子核のベータ崩壊実験（呉の実験）を通じて、このパリティ対称性が弱い相互作用で破れていることを明確に実証しました。
- これにより、弱い相互作用においてパリティは保存されないことが決定的となり、この事実は「パリティの非保存（Parity Violation）」として物理学史に大きく記録されました。
- この功績により李政道と楊振寧は1957年のノーベル物理学賞を受賞しました（呉健雄は惜しくもノーベル賞を逃しましたが、その貢献は歴史的に高く評価されています）。
5. パリティ対称性破れの現代的理解
現代の素粒子物理学においては、標準模型（Standard Model）として知られる枠組みで、弱い相互作用が「左巻き（左手型）の粒子にだけ作用する」というカイラリティ（chirality：粒子の回転方向による区別）の性質が原因で、パリティ対称性が破れていると理解されています。
さらに、パリティ対称性はその後「CP対称性（荷電共役＋パリティ）」という、より包括的な対称性の研究につながり、現在の物理学における重要な対称性の研究対象となっています。
6. まとめ
- 古典物理・量子力学初期：パリティは暗黙の了解。
- 1956〜57年の発見：弱い相互作用でパリティ破れ発見 → 物理学の根底を覆す出来事。
- 現代：素粒子標準模型の一部として、パリティ非保存は「当然の現象」と認識。