素粒子論(素粒子物理学)入門
現代物理学入門
石川 健三
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素粒子論入門(石川)
1.質量について。質量とは?
2.原子論の進展
3.基本粒子と4種の基本相互作用
4.素粒子の質量とその起源(世界最大の実験LHC)
5.ニュートリノの質量の発見
6.宇宙を占めるダーク・マター
7.まとめ
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1 質量とは何か?
(1)万有引力の法則:
すべての物体間には、質量の積に比例し、距離の自
乗に反比例する万有引力が働く。
(2)ニュートンの運動の法則
物体の加速度は、物体の質量に反比例し物体に
加わった力に比例する。
(3)多数の物体の質量は、各質量の和である。
3
(1):万有引力定数G
• 万有引力の法則
G=6.6742(10)x10^{-11} m^3/Kg s^2
Gを精密に決定する方法はあるか?
4
質量についての問題
1.重力質量と慣性質量は等価か?
2.合成系の質量は、各要素の質量の和である。
3.質量は不変か?
4.質量の起源は何か?
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1-1:重力質量と慣性質量は等価
か?
• 重力中で自由落下する物体は、いつも平行
に動くか?
• 現代における精度は?
• 人工衛星、惑星ロケット、他
• 時間の進み方は速度により違う
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2.原子論の進展
(i)すべての物質は、小さな基本的な物質の構
成要素である原子からできている。
(ii)物質の性質の多くは、原子論から理解するこ
とができる。
例: 気体の法則 PV=nRT、熱力学の法則
多様な物質の存在、電磁気現象、他
(iii)物質の生成、変換、崩壊する物質
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原子論の進
展
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水素原子の質量
水素原子は1モルで1グラムである。1モルは、アボ
ガドロ数(6x10^23)の原子からなるので、一個の
水素原子は、1/6x10^23=1.6x10^(-24)グラムであ
る。
水素は、電荷が+|e|の水素原子核が中心にあり、電
荷が-|e|の電子が周りを回っている。
陽子の質量は、電子の質量の約2000倍である。
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質量(エネルギー)の換算
陽子質量 m 静止エネルギー
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3.基本粒子と4種の基本的相互作用
• 基本粒子
それ以上分解できない粒子、すべての物質
の構成要素である。
• 基本的相互作用
それ以上分解できない相互作用、すべての
相互作用が導かれる。
基本的でない相互作用の例:摩擦の力、張力、
、垂直抗力、ばねの力、
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物質と相互作用の場
• 物質は原子(素粒子)から構成されている。
• 物質はいくつかの基本粒子からなり、
相互作用はいくつかの場から生成している。
基本粒子も、基本的な場も共に素粒子である
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電荷
現代の素粒子
+2/3|e|
ー1/3|e|
0
ー|e|
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• 素粒子の質量の和から物体の質量が決まる
(1)有限の質量の素粒子
荷電レプトンとクォーク
電子 ミュウ タウ(τ)
u,d,c,s,t,b クォーク、W、Zボソン
(2)ほぼ零質量の素粒子(波)
ニュートリノ
(3)零質量の素粒子(波)
光子(電磁波)と重力波(重力場)
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素粒子間の基本的な力(相互作用)
• 電磁相互作用
電荷を帯びた物質間の力、電流間の力
• 弱い相互作用
ベータ崩壊の起源、ニュートリノ
• 強い相互作用
クォーク間の力、核子内、中間子内の力
• 重力相互作用
万有引力
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力 (相互作用)の統一
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基本的な力の場の起源となる素粒子
• 電磁相互作用
光子(photon,)
• 弱い相互作用
弱ボソン(W,Z boson)
• 強い相互作用
グルーオン(gluon)
• 重力相互作用
重力子(graviton)
ゲージ粒子
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三世代の物質粒子
• 第一世代
電子、電子ニュートリノ、uクォーク、dクォーク
• 第二世代
μ、μニュートリノ、cクォーク、sクォーク
• 第三世代
τ 、τニュートリノ、tクォーク、bクォーク
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電磁相互作用と弱い相互作用の例
電子
陽子
水素原子
光子
ミューニュートリノ
ミュー
ミュー崩壊
Wボソン
電子
電子ニュートリノ
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クォークレプトンの質量
陽子質量
電子質量
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4:素粒子の質量の特徴
• 軽いニュートリノと重い“t”クォークで 12桁以上異なる。
• WボソンやZボソンは、陽子の約90倍の質量をもち非常に重
いが、光に近い普遍的な性質を持つ。
• 同じ粒子が、質量がある場合(相)とない場合(相)がある。
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素粒子が質量を持つのには理由
がある。
• 磁石
磁石はなぜ磁石になっているか。
磁石を高い温度にすると磁石でなくなる。
電子間の相互作用より、“磁石”が発現
• 同様に、素粒子を超高温にすると質量が消失する(
宇宙初期)。
ヒッグス場の相互作用より、素粒子の“質量”
が発現する。
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4-2:質量の起源は何か?
• 質量は質量の場(未知の素粒子(ヒッグス粒
子))が原因である。
• 真空中ではヒッグス粒子が凝縮している(超
伝導や超流動のようになっている)。基本粒
子の質量は、ヒッグス場との結合の大きさで
決まる。
• ヒッグス粒子を探す実験(LHC実験)
が始まる。
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LHC実験(CERN)
ジュネーブ空港
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LHC加速器
8.3Tの強力な超伝導双極磁石
◎世界最高エネルギーであり、
LEP/Tevatronに比べて実質的に
10〜20 倍の重心系のエネルギー
◎LuminosityもLEPの約100倍
(B-factoryと同程度)
豊富な統計量での研究が可能
例えば、Higgs粒子(130GeV)は、
毎時1000事象も生成
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ヒッグス粒子が発見されるか?
• 2007年ー2010年頃に発見される可能性
が大きい。
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4-3素粒子の崩壊と安定性
• 重い素粒子はベータ崩壊で軽い素粒子に崩
壊する。
• 重い素粒子は不安定であり、軽い素粒子は
安定である。
• 安定な素粒子:
電子、ニュートリノ、陽子(uud)、光子、
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ニュートリノの歴史
•
•
•
•
•
•
ベータ崩壊の発見 1896 ベックレル
ニュートリノ仮説 1930 パウリ
実験的存在証明 1953-1956 ライネス、コーエン
空間反転の破れ 1957 リー、ヤン、ウ―
二つのニュートリノ 1962
ニュートリノ天文学 1987神岡(小柴他)
• ニュートリノの質量と振動
現在
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5:ニュートリノの質量の発見
• ニュートリノ振動実験
()太陽の内部では核融合反応が進行中。
ニュートリノが生成され、約500秒かけて地
球に到達する。
() 原子炉内ではベータ崩壊によるニュートリノ
が生成される。炉から200kmの距離にある
測定器で観測する。
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5-1:ニュートリノ振動
• 質量を持つ複数のニュートリノは相互転換す
る。
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ニュートリノの生成
SN1987A
超新星爆発
太陽
核融合
宇宙線の崩壊
大気ニュートリノ
加速器
素粒子の崩壊
原子炉
ベータ崩壊
・ニュートリノの質量が有限であることが分かっ
た。
•
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ニュートリノの生成反応の例
• 中性子
陽子+電子+(反)電子ニュート
リノ(ベータ崩壊)
• パイ中間子 ミュー+ミュウニュートリノ
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太陽内の核融合
• 陽子+陽子
ー> 重陽子+陽電子+ニュートリノ
• 重陽子+陽子ー>ヘリウム(3)核+光
• ヘリウム(3)核+ヘリウム(3)核
→> ヘリウム(4)核+2 陽子
• 放出エネルギー= 25MeV ( E=mc^2 )
• ニュートリノ一個
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太陽ニュートリノの観測
(i)デイビス(1960年代)
: ニュートリノが引き起こす化学反応を利用
:太陽のエネルギー生成機構から予想される
ニュートリノ量の半分が観測された。
(ii)神岡チェレンコフ測定器(1980-2000年
代)
:太陽ニュートリノによる反応で生成される電
子を測定する。予想値の6割程度が観測
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太陽ニュートリノ欠損
• 太陽ニュートリノの観測量が太陽理論よりも
半分程度になっているのは、太陽内で生成
されたニュートリノが地球まで伝播する間に
他のニュートリノに変換された。
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太陽ニュートリノ欠損
電子 ニュートリノ
太陽
E= 数 Mev
ミューオン ニュートリノ
地球
ミューニュートリノ は ミュー
オン (m=100Mev/c^2)を生
成する
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デイビスの実験
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神岡実験(小柴、戸塚他)
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ニュートリノの質量差
• (M1)^2ー(m2)^2=10^{-4}(eV/c^2)^2
• (m2)^2-(m3)^2=10^{-2}(eV/c^2)^2
• 質量の差が分かったが、質量の値はまだ分
からない。これからの問題である。
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ニュートリノを筑波で生成し神岡(富
山)で観測する
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6.宇宙のダーク・マター
• 宇宙は、通常の物質(陽子、電子等)より多く
のダーク・マターでできている。
• 現在の素粒子標準理論では、ダーク・マター
になる粒子はない。
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6-1:銀河とダークマター
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見えない質量(ダークマター)
•
x星 の運動
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ダーク・マターによる重力レンズ
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WMAP 宇宙背景輻射の温度分布
高温度
低温度
宇宙を占める3Kの背
景輻射の全天写真
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ダークマター
• 電荷を持たない物質(ダークマター)が宇宙の
質量の大部分である。
• ダークマターが素粒子であるとしたら、未知の
素粒子である。
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現代の素粒子
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まとめ
• 現在、質量の起源となるヒッグス粒子がわか
りつつある。今年か来年、実験で見つかる?
• なぜ、ニュートリノの質量が特異なのか?そ
の絶対値は?
• 宇宙の起源や、構造で重要なダークマターは
新しい素粒子か?
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