杉山 弘晃
京都産業大学 益川塾 博士研究員
天文学講座@神山天文台、2014年5月17日
もくじ
 益川塾ってどんなところ?
 素粒子
細かくしてみよう
“ちから”(相互作用)も素粒子
役に立つの?
 素粒子の質量
LHC実験でのヒッグス粒子発見
ヒッグス場と素粒子質量
 宇宙の質量
暗黒物質
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益川塾ってどんなところ?
2008年に益川さんに訪れた
「とある事件」(益川さん談)によって設立
毎年塾生を募集して、1号館の4階で
主に「素粒子物理学理論」を研究しています
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益川塾ってどんなところ?
入塾証授与式
入塾証
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益川塾ってどんなところ?
研究室
眺め
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益川塾ってどんなところ?
研究発表風景
議論風景
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もくじ
 益川塾ってどんなところ?
 素粒子
細かくしてみよう
“ちから”(相互作用)も素粒子
役に立つの?
 素粒子の質量
LHC実験でのヒッグス粒子発見
ヒッグス場と素粒子質量
 宇宙の質量
暗黒物質
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素粒子って何?
モノを作る最も小さい材料
「いろいろなモノは何からできているのだろう?」
という素朴な疑問への答えとなる概念。
素粒子と思われていたものが
もっと小さい材料から作られていることが
判明することもある。
科学の発展によって変わっていく。
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古代の素粒子(元素)
古代中国:五行
木・火・土・金・水
惑星や曜日のなまえ
古代インド:五大 (五輪)
地・水・火・風・空
宮本武蔵の五輪書の巻名
古代ギリシャ:四大元素
地・水・火・空気
ファンタジーの世界
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細かくしてみよう
Fe
鉄原子
ほしみ~るちゃん
(神山天文台マスコットキャラクター)
細かくしてみよう
Fe
原子核
鉄原子
キャラクター)
電子(素粒子!)
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12/79
細かくしてみよう
原子核
+
陽子
0
中性子
電子(素粒子!)
細かくしてみよう
+
アップクォーク
(素粒子!)
陽子
0
中性子
ダウンクォーク
(素粒子!)
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細かくしてみよう
電子
アップクォーク
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ダウンクォーク
だいたいこれらから作られる
これだけだとバラバラなので、接着剤が必要!
“ちから”(相互作用)も素粒子
光子
電気的・磁気的な力を伝える粒子
つまり電磁波(光)の粒子化
斥力
(“地面”を作る)
引力
+
(原子を作る)
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“ちから”(相互作用)も素粒子
クォークに働く『強い力』
グルーオン 陽子・中性子(や原子核)を作る接着剤
斥力
+
陽子
勝つ
(強い!)
引力
“ちから”(相互作用)も素粒子
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原子核の反応に関わる“ちから”
粒子の種類を変える
ウィークボゾン
“3つ子”
ベータ崩壊
0
中性子
+
陽子
電子
ニュートリノ(素粒子!)
(反電子ニュートリノ)
“ちから”(相互作用)も素粒子
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原子核の反応に関わる“ちから”
粒子の種類を変える
ウィークボゾン
“3つ子”
核融合(太陽のエネルギー源)
+
+
陽子2個
+
0
重水素の原子核
陽電子(電子の反粒子)
電子ニュートリノ
“ちから”(相互作用)も素粒子
重力を伝える粒子
重力子
理論が未完成!
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20/79
見つかっている素粒子の一覧表
http://higgstan.com/
光子
アップ
チャーム
トップ
グルーオン
ダウン
電子
ストレンジ
ボトム
ミュー粒子 タウ粒子
電子
ミュー
タウ
ニュートリノ ニュートリノ ニュートリノ
Z
W+
Wー
ヒッグス粒子
21/79
見つかっている素粒子の一覧表
光子
アップ
チャーム
トップ
グルーオン
ダウン
電子
ストレンジ
ボトム
ミュー粒子 タウ粒子
電子
ミュー
タウ
ニュートリノ ニュートリノ ニュートリノ
Z
質量ゼロ
+
W
Wー
ヒッグス粒子
22/79
見つかっている素粒子の一覧表
質量
程度
光子
アップ
チャーム
トップ
グルーオン
ダウン
電子
ストレンジ
ボトム
ミュー粒子 タウ粒子
電子
ミュー
タウ
ニュートリノ ニュートリノ ニュートリノ
Z
W+
Wー
ヒッグス粒子
23/79
見つかっている素粒子の一覧表
質量
アップ
チャーム
光子
程度
トップ
グルーオン
ダウン
電子
ストレンジ
ボトム
ミュー粒子 タウ粒子
電子
ミュー
タウ
ニュートリノ ニュートリノ ニュートリノ
Z
W+
Wー
ヒッグス粒子
24/79
見つかっている素粒子の一覧表
質量
程度
光子
アップ
チャーム
トップ
グルーオン
ダウン
電子
ストレンジ
ボトム
ミュー粒子 タウ粒子
電子
ミュー
タウ
ニュートリノ ニュートリノ ニュートリノ
Z
W+
Wー
ヒッグス粒子
25/79
見つかっている素粒子の一覧表
光子
アップ
チャーム
トップ
グルーオン
質量ダウン
電子
ストレンジ
ボトム
程度
ミュー粒子 タウ粒子
電子
ミュー
タウ
ニュートリノ ニュートリノ ニュートリノ
Z
W+
Wー
ヒッグス粒子
26/79
見つかっている素粒子の一覧表
光子
アップ
チャーム
トップ
グルーオン
ダウン
ストレンジ
ボトム
質量
電子
以下
ミュー粒子 タウ粒子
電子
ミュー
タウ
ニュートリノ ニュートリノ ニュートリノ
Z
W+
Wー
ヒッグス粒子
素粒子発見の歴史
1897年:電子の発見
1937年:ミュー粒子の発見
1956年:電子ニュートリノの発見
1962年:ミューニュートリノの発見
1969年:アップ、ダウン、ストレンジクォークの発見
1974年:チャームクォークの発見
1975年:タウ粒子の発見
1977年:ボトムクォークの発見
1979年:グルーオンの発見
1983年:ウィークボゾンの発見
1995年:トップクォークの発見
2000年:タウニュートリノの発見
2012年:ヒッグス粒子の発見
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素粒子物理学 ~何の役に立つの?~
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冒険家:そこに山があるから登ってみたい
物理学者:そこに謎があるから解明したい
芸術家:良い音色を出せるとうれしい
物理学者:うまく式で表せるとうれしい
陸上競技者:人はどれだけ速く走れるか挑戦
物理学者:人はどこまで宇宙を理解できるか挑戦
物理学者だけ「役に立つの?」と聞かれる…
「純粋科学」と「技術」の混同
素粒子物理学 ~何の役に立つの?~
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フェルミ研究所の加速器建設について
アメリカ上下両院合同委員会での質疑応答
John Pastore 議員
「この加速器は国防に役立ちますか?」
Robert.R. Wilson(のちの初代所長)
「国を守ることに直接関係しませんが
守る価値のある国にできます」
http://history.fnal.gov/testimony.html
素粒子物理学 ~役に立つことも?~
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純粋科学が役に立った例
量子力学:非常に微小な世界を扱う
半導体、フラッシュメモリ
一般相対性理論:精密な重力を扱う
GPS
素粒子物理学 ~役に立つことも?~
世界で最初のウェブサイト (1990)
http://info.cern.ch/hypertext/WWW/TheProject.html
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素粒子物理学 ~役に立つことも?~
World Wide Web
CERN (ヒッグス粒子の発見場所)にて
大規模な国際研究の利便性のために
T.J. Berners-Lee (左)が
R. Cailliau (右)とともに開発。
1993年4月30日に
CERN はWWWを無料で公開 !
(特許を取っていたらどうなっていた?)
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もくじ
 益川塾ってどんなところ?
 素粒子
細かくしてみよう
“ちから”(相互作用)も素粒子
役に立つの?
 素粒子の質量
LHC実験でのヒッグス粒子発見
ヒッグス場と素粒子質量
 宇宙の質量
暗黒物質
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2012年7月4日:ヒッグス粒子発見
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そして、
2013年ノーベル物理学賞
François Englert
F. Englert and R. Brout,
Phys. Rev. Lett. 13, 321 (1964)
6月26日投稿
Peter Higgs
P.W. Higgs,
Phys. Lett. 12,132 (1964)
7月27日投稿
Englertさんの共著者である
Robert Broutさんは
残念ながら2011年に亡くなっていました。
存命ならば共同受賞していたはずです。
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CERN の LHC実験
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Conseil Européen Recherche Nucléaire
(欧州原子核研究理事会。準備段階の名称)
現在は日本語だと「欧州原子核研究機構」
スイスの首都ジュネーブの、フランス国境付近
Large Hadron Collider
(大型ハドロン衝突型加速器)
2008年9月10日のGoogle
加速した陽子同士を衝突させる
周長 27km のリング、地下約 100m
Google ストリートビュー: https://www.google.com/maps/views/streetview/cern
CERN の LHC実験
ジュラ山脈
フランス
LHC (27km)
スイス
CERN
ジュネーブ空港
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CERN の LHC実験
8.5km
CERN の LHC実験
動画のURL
http://www.atlas.ch/multimedia/2-photon-event.html
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LHC実験でのヒッグス粒子発見
動画のURL
http://www.atlas.ch/multimedia/a-higgs-particle-decaying-2-photons.html
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LHC実験でのヒッグス粒子発見
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陽子
グルーオン衝突
陽子
ヒッグス粒子生成
ヒッグス粒子の質量
すぐ壊れる
光子
光子
光子2つのエネルギー
(測定するもの)
LHC実験でのヒッグス粒子発見
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LHC実験でのヒッグス粒子発見
発見
発見
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LHC実験でのヒッグス粒子発見
https://twiki.cern.ch/twiki/pub/AtlasPublic/HiggsPublicResults//Hgg-FixedScale-Short2.gif
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なぜ重要な発見か?
素粒子の質量の起源
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きれいな理論を考えると質量を持てない!
モネ作:睡蓮
物理学者作:ゲージ対称な理論
素粒子の質量の起源
ヒッグス場を導入してちょっと複雑に
モネ作:睡蓮
物理学者作:標準模型
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素粒子の「標準模型」
「標準模型」:物理理論の固有名詞
標準の名にふさわしい大成功
ミュー粒子の異常磁気能率
「標準模型」の予言値:2.0023184
実験での観測値:2.0023184
ミュー粒子
ヒッグス粒子が長らく発見されていなかった
素粒子の「標準模型」
ヒッグス粒子発見の意義
「標準模型」の素粒子の最後のパーツ
「標準模型」が磐石に
質量に関わるとても重要な粒子
質量の作り方の確認
理論的な美しさをやや損なうので
ヒッグス粒子のない理論も考えられていた
「標準模型」でよさそう
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もくじ
 益川塾ってどんなところ?
 素粒子
細かくしてみよう
“ちから”(相互作用)も素粒子
役に立つの?
 素粒子の質量
LHC実験でのヒッグス粒子発見
ヒッグス場と素粒子質量
 宇宙の質量
暗黒物質
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準備 ~質量~
重さ:無重力状態ならゼロ
質量:無重力状態でもそのままある
動かしづらさを表す量
鉄
動かしづらい
動かしやすい
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準備 ~質量~
質量なし:光速で飛び続ける
止まったりしない
質量あり:光速より遅い
止まることもできる
質量なし:
光速
光子
遅い
質量あり:
電子
よくある誤解
抵抗があると(水中)動きにくいのは理解しやすい
(短時間、限られた紙面での解説には仕方ない)
でも、抵抗なら動きが止まってしまう
何か変
今日はちゃんと説明してみます
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準備 ~場~
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場:各場所に値があるもの
(場所の「関数」が実在している感じ)
電場
+
各場所に
方向を持った値がある
各場所に
方向を持たない値がある
準備 ~場~
場:各場所に値があるもの
(場所の「関数」が実在している感じ)
粒子の源にもなる
+
電荷をゆする
=場にエネルギー
場が波打つ
=電磁波(光子)
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準備 ~真空~
真空の特徴:粒子は居ない
「場」には満たされている
+
真空
真空
真空
電荷を置かない
=値ゼロの場がある
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ヒッグス場とヒッグス粒子
ヒッグス場:各場所に方向を持たない値が対応
ヒッグス粒子の源
ヒッグス粒子:ヒッグス場の波
ヒッグス場
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
ヒッグス場と素粒子質量
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ヒッグス場:実は真空での値がゼロでなくても良い
真空の性質を変える!
ヒッグス場の値
ヒッグス場の値
0
0
真空では
値がゼロ
真空でも
値がある
ヒッグス場と素粒子質量
誤:「ヒッグス粒子」が真空に詰まっている
正(?):「ヒッグス場」の値が真空に詰まっている
ヒッグス場の値
ヒッグス場の値
0
0
真空では
値がゼロ
真空でも
値がある
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ヒッグス場と素粒子質量
ヒッグス場:真空の性質を変える!
素粒子に質量を与える!
ヒッグス場の値
ヒッグス場の値
徐行
(質量!)
光速
0
0
真空では
値がゼロ
真空でも
値がある
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ヒッグス場と素粒子質量
誤:「ヒッグス粒子」とぶつかる抵抗
正:「ヒッグス場」による真空の性質変化
ヒッグス場の値
ヒッグス場の値
徐行
(質量!)
光速
0
0
真空では
値がゼロ
真空でも
値がある
ヒッグス場と素粒子質量
質量の違い:「ヒッグス場」への注意力の違い
ヒッグス場の値
見ない(質量ゼロ)
あまり見ない(軽い)
0
よく見る(重い)
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ヒッグス場はダイエットの敵?
モノの質量の原因は
陽子・中性子の質量
陽子・中性子の質量は
材料のクォーク3個分より
ずっと重い
+
+
0
= 0+
+
0 0
0+
+
モノの質量(陽子・中性子の質量)は
素粒子質量(ヒッグス場)とは別の原因による
(約2%だけがヒッグス場による質量)
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ヒッグス粒子の誤解のまとめ
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真空に詰まっているのは、
誤:「ヒッグス粒子」
正(?):「ヒッグス場」の値
素粒子質量の原因は、
誤:「ヒッグス粒子」とぶつかる抵抗
正:「ヒッグス場」が真空の性質を変えるから
モノの質量の源は、
誤:「ヒッグス粒子」
正: 2%だけが素粒子質量(ヒッグス場)起源
98%は別の起源(解明されている)
もくじ
 益川塾ってどんなところ?
 素粒子
細かくしてみよう
“ちから”(相互作用)も素粒子
役に立つの?
 素粒子の質量
LHC実験でのヒッグス粒子発見
ヒッグス場と素粒子質量
 宇宙の質量
暗黒物質
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暗黒物質 ~銀河団の運動~
「繋ぎ止める重力」に必要な質量
見えている質量
= 約400
見えない質量がないと銀河団はバラバラに
F. Zwicky, Helvetica Physica Acta 6: 110–127 (1933)
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暗黒物質 ~銀河の回転~
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惑星の運動:遠いほどゆっくり
(ケプラーの第2法則:面積速度一定)
銀河内の星の運動
速さ
観測
何かある
予想
中心からの距離
V. Rubin, W. K. Ford, Jr Astrophysical Journal 159: 379 (1970)
暗黒物質 ~弾丸銀河団~
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高温のガスの領域:光るので見える
ぶつかるので取り残される
弾丸銀河団:
大きな銀河団を
小さな銀河団が貫いた
質量の領域:重力レンズでわかる
なぜかそのまますり抜けている !
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重力レンズ
A,B,Cは同じ天体
暗黒物質 ~宇宙の大規模構造形成~
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暗黒物質を考慮しないと
計算機シミュレーションが観測と合わない
動画のURL
http://4d2u.nao.ac.jp/t/var/download/lss2.html
http://www.sdss.org/
暗黒物質 ~宇宙の温度ゆらぎ~
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宇宙の温度:平均3K (マイナス270℃)
平均からのずれが色々な情報を持つ
動画のURL
http://sci.esa.int/planck/43109-mapping-the-cmb-with-planck-hd-version/
暗黒物質 ~宇宙の温度ゆらぎ~
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宇宙の温度:平均3K (マイナス270℃)
平均からのずれが色々な情報を持つ
http://sci.esa.int/planck/53108-planck-and-the-cosmic-microwave-background/
暗黒物質 ~宇宙の温度ゆらぎ~
38万年後:
晴れ上がり
138億年後: 現在
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暗黒物質 ~宇宙の温度ゆらぎ~
現在の宇宙のレシピ
暗黒物質:26.8%
5倍 !
通常の物質:4.9%
暗黒エネルギー:68.3%
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暗黒物質の性質
電気を帯びていない
光(電磁波)を出さないから
「暗黒」というより「透明」
質量を持っている
銀河を重力でつなぎとめるため
あまり相互作用しない
弾丸銀河団の質量のすりぬけ
崩壊しない
宇宙にたくさん残っているから
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暗黒物質の正体
どれも暗黒物質とみなせない !
質量ゼロ
帯電
光子
アップ
チャーム
トップ
グルーオン
ダウン
電子
ストレンジ
崩壊する
ボトム
ミュー粒子 タウ粒子
Z
W+
Wー
軽すぎ
電子
ミュー
タウ
ニュートリノ ニュートリノ ニュートリノ
ヒッグス粒子
暗黒物質の正体
謎!
ともかく新しい何か
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79/79
まとめ
素粒子に質量を与える原因は
ヒッグス場による真空の性質変化
ヒッグス粒子はヒッグス場を伝わる波
素粒子の「標準模型」は磐石
でも宇宙の約5%だけを見ていた
宇宙の質量(物質)は
ほとんどが暗黒物質
まだまだ謎だらけ
暗黒物質26.8%
通常物質4.9%
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