高エネルギー物理学2
なぜ、まとまっ
ているのか?
現代の物質像
力の根源とは何か?
相互作用
Exchange force (交換力)
反発力?
力の到達範囲
E  Mc
Et  
2
Particle
Adventure
吸引力?
t  
E

x  ct  c
Mc 2
Mc
2
Exchange force (交換力)
反発力?
力の到達範囲
E  Mc
Et  
2
吸引力?
t  
E

x  ct  c
Mc 2
Mc
2
力の媒介をするもの:ゲージ粒子
自発的対称性の破れ
Higgs 機構、Higgs粒子
LHCの話
検索 “Particle Adventure”
ここまでの話がこうなってます
Feynman diagram
素粒子が時空を移動する様を線で表現
素粒子の消滅と生成
e+
e-
m+
m-
素粒子同士が影響を及ぼす
e-
e-
m-
m-
交換力の表現法
原子核内部(核力)
陽子
中性子
弱い相互作用(β崩壊)
中性子
陽子
ハドロンの反応
今日の目標:
ファインマングラフをものにする
• 電子と陽電子が弾性散乱する。
• 電子と陽電子が消滅する。
• 電子と陽電子を衝突させて荷電B中間子のペ
アを作る(B+= (u b))。
• πー中間子と陽子を衝突させて中性π中間子
と中性子ができる。
• 太陽で核融合のための重水素ができる。(陽
子+陽子ー>重水素+陽電子+ニュートリノ
実は正解は一つじゃない。そこがおもしろい!
おすすめの入門書
• 原 康夫・稲見武夫・青木健一郎 「素粒子物理学」 (朝倉書
店, 2000年)
• 渡辺 靖志 「素粒子物理入門」 (培風館, 2002年)
• 原 康夫 「素粒子物理学」 (裳華房, 2003年)
• 素粒子物理学の基礎〈1-2〉 (朝倉物理学体系) 長島 順清
• 素粒子標準理論と実験的基礎 (朝倉物理学大系) 長島 順
清
• 高エネルギー物理学の発展 (朝倉物理学大系) 長島 順清
• 高エネルギー物理学実験 真木晶弘 著 丸善 パリティ物理
学コース
Bファクトリーで何がわかるか
フレーバー物理の最前線
高エネルギー加速器研究機構
幅 淳二
レプトン
クォーク
第三世代
tt -
トップ
タウ
第二世代
m
c
ミュー
チャーム
第一世代
u
e
アップ
電子
反レプトン
反クォーク
bnt
タウ
ボトム
ニュートリノ
sn
m
ミュー
ストレンジ
ニュートリノ
dne
ダウン
電子
ニュートリノ
tt +
bnt
反トップ
反タウ
反タウ
反ボトム
+
m
c
sn
+
u
e
dne
ニュートリノ
m
反ミュー
反ミュー 反ストレンジ
反チャーム
ニュートリノ
反アップ
陽電子
反ダウン
反電子
ニュートリノ
反原子、反物質そして反宇宙
陽電子
電子
実際に2002年ヨー
ロパのCERN研究
ud
所では、反水素原
u
陽子
子の合成に成功し
ている。
水素原子
u
ud
反陽子
反水素原子
反物質は、反陽子と反中性子でで
きた「反原子核」の周りを陽電子
が回る「反原子」から構成される。
天使と悪魔(2009 Sony pictures)
加速器で作られた
とされる{反物質」
こんな大量の反物質は
現実にはありえません。
2007年11月15日
対称だったはずの物質と反物質、しかし
この宇宙には物質だけが残っているようにみえる
• 宇宙からの交信があった。
• 初めての「未知との遭遇」。歓
迎準備で地球は大パニック!
銀河系周辺を航行中に
君たち知的生命体の存
在を感知した。これから
そちら(地球)に立ち
寄って親善を深めたい。
– 最初の乾杯はビール?
– ワインより日本酒がお気に召
すかも!
– 中華料理が無難かしら?
– そもそも地球の大気で窒息し
ない?
??????
ある物理学者がふとつぶやいた
• ところでやつらは、反宇
宙から来た反宇宙人
じゃないだろうな。つま
り、体も宇宙船も反物
質からできている。
反物質は、反陽子と反中性子ででき
た「反原子核」の周りを陽電子が
回る「反原子」から構成される。
• だとしたら、地球の大気
に触れたとたん、対消
滅して大爆発だ。
• 大急ぎで確認するんだ。
反原子、反物質そして反宇宙
電子
ud
u
u
ud
陽電子
水素原子
反水素原子
ところでどうやったら確認できる?
• 交信は電磁波(つまり
• 電荷もまた相対的な概
光子)を使ってる。反宇
念だ。原子を回る電子
宙が相手でも区別はつ
の電荷の+/-を尋ね
「いい考えがある」
かない。
ても意味がない。
• 粒子と反粒子は相対的
素粒子物理学者が言った。
な概念だ。反宇宙では
「最近Bファクトリーで発見された
反粒子が「普通」の粒
現象を利用すればよい。」
子。「あなた方は反宇
宙ですか」と尋ねてても
意味はない。
CP対称性研究のために粒子と反
粒子をつくる
• 人工的に粒子と反粒子を作り出し、その性質
の違いを探る。
• 違いが最も際立つと予想されるbクオークの
システム(B中間子)にターゲットを絞る。
• 電子と陽電子(これまた粒子と反粒子)を加
速、衝突させてB中間子のペアを大量生産す
る。(Bファクトリー)
電子陽電子衝突反応で素粒子の
ペアが製造可能
LEP
DANE
SPEAR,BEPC
KEKB, PEP-II、CESR
TRISTAN
筑波山
日光
Belle
KEKB Rings
Linac
高エネ研
(KEK)
KEKとKEKB加速器
+
K
粒子と反粒子:その違いをB中間
(-)
10万回に一度ほど
p
子に探してみると・・・・・。
B
e‐
すべての粒子と反粒子は
全く対等な関係
e+
B
p+
K-
観測された信号の強さ
1150
950
(事象数)に違いがある!
つまり粒子と反粒子で性質が異なる。
(区別できる現象がある。)
<
反宇宙人の見分け方を考えてみよう
• 中性B中間子を、正反それぞ
れ一億個ずつ用意する。
– ご用命は、つくば・高エネル
ギー加速器研究機構まで。た
だし生産には現在のところ約一
年かかります。
• どんどん崩壊しますがかまい
ません。なにせ寿命は1.5
ピコ秒なので。
• K中間子とπ中間子に崩壊し
た事象を選んで下さい。10万
に一つですので見間違えの
ないようお願いします。
• K中間子の符号(プラスとマ
イナス)で分類。事象の多
かったのはどちらでしたか。
• 多かったK中間子の符号
を、原子中で軌道を回る粒
子(われわれの世界なら
電子)の符号と比較。
• 我々の世界ではK中間子
はプラスが多くて電子の符
号はマイナス。
• 宇宙人に彼らの結果を尋
ねなさい。
• 反対符号ならOK!彼らは
われわれ同様、物質世界
の通常宇宙人だ。握手を
しても消滅しない。親善を
深めよ。
• だがもし、同符号なら・・・・
10-1
そもそも反宇宙は
あるでしょうか?
He/He limit (95% C.L.)
• 気球による大気圏上空
ヘリウム以上の
(37km)で探す反宇宙
反原子核は見
からの反物質ー
つかっていない。
(BESS)実験
Antihelium/helium flux ratio
10-2
Smoot et al. (1975)
Evenson (1972)
Aizu et al. (1961)
Evenson (1972)
10-3
Smoot et al. (1975)
Badhwar et al. (1978)
Golden et al. (1997)
10-4
Buffington et al. (1981)
10-5
Ormes et al. (1997) BESS-95
T. Saeki et al. (1998) BESS-93~95
J. Alcaraz et al. (1999) AMS01
10-6 M. Sasaki (2000)
BESS-93~98
10-7 -1
10
BESS-1993~2000
Preliminary
1
10
Rigidity (GV)
102
粒子
反粒子
宇宙の始まりはビッグバン・・・
その直後、粒子と反粒子は
正確に同じ数作られた。
ホンの少しの性質の違い
から粒子の数がわずかに
(10億分の一)多くなった。
やがて宇宙全体の温度が下がっていき、
「粒子」と「反粒子」は相手を見つけて次々消滅、現在の宇宙の
エネルギー(光)となった。
わずかに残った「粒子」が、現在の宇宙の物質(星)や私たち生命となった。
この宇宙には反物質はほとんどなさ
そうだ。
• Bファクトリーによって粒
子・反粒子の間にはほ
んのわずかな違いがあ
ることがわかった。
• その違いのために大量
の(中性な)エネルギー
とほんのわずかの「粒
子」(物質)が残った。
• そのわずかな物質のお
かげで私たちは生まれ
た。
理存あ
由在な
がにた
あはの
る
粒子・反粒子の非対称CP対称性の破れ
• 小林益川モデルの提唱(1973)
– 3世代6種類のクォークで定式化可能
小林誠
益川敏英
当時は3種類の
クォークしか見つ
かっていなかった!
大胆な予想
(その後すべてのクォークが発見された)
祝 ノーベル賞受賞(2008)
いつノーベル賞でもおかしくない!(昨年までのスライド)
クォークの崩壊(1973以前)
小林・益川の要請
t
トップ
c
チャーム
u
アップ
b
ボトム
s
ストレンジ
d
ダウン
CP非保存の説明
新たなクオークの
導入
J/yの発見
(1974)
n p + e + n
Kp + m + n
小林・益川行列(KM matrix)
小林益川クォーク混合行列
 d '  VudVusVub  d 
 
  
 s '   VcdVcsVcb  s 
 b'  V V V  b 
   td ts tb  
クォークで描いてみよう
•π+中間子の崩壊
•K+中間子の崩壊
•D+中間子のKπ崩壊
•B0中間子のKπ崩壊
b1/3
W+
Vab
a2/3
クオークの弱い相互作用基本形
Bファクトリーの2つのB中間子
系
出来た瞬間は、フレーバーの固有状態
0中間子
BB0中間子
d
bb
ダウン
反ダウン
反ボトム
ボトム
BB00中間子
中間子
b
d
反ダウン
ダウン
反ボトム
ボトム
B中間子振動イメージ
BB00
?
dbt
B 0d
Vtd t
d
W
b

Vtb
W

Vtb t Vtd
bdt
l
b
B 0d
d
+
X
Y
z
l
-
Bファクトリーの2つのB中間子
系
出来た瞬間は、フレーバーの固有状態
B0中間子
b
d
ダウン
反ボトム
片方がフレーバーの固有状態に
壊れた瞬間、もう片方のフレーバー
は定まっている。
これを、一つのB中間子が
「出来た瞬間」と再定義してやれば
よい。
B0B0 mixing (di lepton)
二つのlepton(電子・ミューオン)
のある事象
A(Z) =(N異符号-N同符号)/(N異符号+N同符号)
m =
0.463±0.008±0.016 ps-1
振動の速さが質量差と関係
(ニュートリノを思い出せ)
B+- not removed
2007年Bファクトリーの
新たな発見
• D中間子の混合現象
D
D
小林益川行列とユニタリ三角形
(r, h)
(0,0)
(0,1)
再び中性B中間子のπK崩壊
直接的CPの破れ
間接的CP対称性の破れ
b
B0
はじまりが
B中間子?
それとも
反B中間子?
B0
d
b
t
d
d
t
b
c
c J/y
s
d KS
d
s KS
c
c J/y
現代の観測例
B1
B2
ベストコンディション(1.7 X1034/cm2/秒)
で毎秒17ペアを量産
1億個÷17÷60÷60÷24=68日
電子(8GeV)
陽電子(3.5GeV)
B
B
(4S)
10.58GeV/c2
B中間子とその反粒子が
短い寿命の間飛行した後
ペアとなって発生する。
ずっと軽いふつうの素粒子
に分解(崩壊)する。
2006年夏の時点での実験結果
0 tag
B
_
B0 tag
_
535 M BB pairs
sin2f1= 0.642 ±0.031 (stat) ±0.017 (syst)
A = 0.018 ±0.021 (stat) ±0.014 (syst)
Belle preliminary
BELLE-CONF-0647
ユニタリー三角形
Bファクトリーで角度決定・・・・・高精度化更に進行中
md
b
f1u =l n(21b1)º
dg
+11 *
VudfVub*=f(93
Vtd )º
Vtb
2(a) -9
2
+38
f3 = (60 -24 )º
f3(g)
f1(b)
f1 + f2Vcd+Vfcb* 3
=
bcln
+20
(184 -14 )º
ユニタリー三角形の測定(2007)
f1  ( 22  1)

f2  (88 )
+6 
-5
f3  (77  30) 
f1 + f2 + f3  (187 30)
http://ckmfitter.in2p3.fr/

Summary
•
•
•
•
Bファクトリーは素粒子のフレーバーの謎を解
き明かすユニークなマシンだ。
KEKB はルミノシティ性能で世界のトップを走り
続けている。
ユニタリー三角形は予想を上回るはやさで、確
定されつつある。
今後数年で10億個のB中間子対を生産。
–小林・益川理論の限界がみえるかも
標準理論を越えた新物理(超対称性理論など)
•
クオークもレプトンも3世代。何か深い理由があ
るに違いない。そのヒントが見つかるか。
ダウンロード

10月29日