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 2/79 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 3/79 益川塾ってどんなところ？ 入塾証授与式 入塾証 4/79 益川塾ってどんなところ？ 研究室 眺め 5/79 益川塾ってどんなところ？ 研究発表風景 議論風景 6/79 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 7/79 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。 8/79 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 9/79 10/79 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！） 11/79 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！） 13/79 細かくしてみよう 電子 アップクォーク 14/79 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） 15/79 16/79 “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 17/79 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 18/79 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！ 19/79 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 27/79 素粒子物理学 ～何の役に立つの？～ 28/79 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？～ 29/79 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？～ 30/79 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 31/79 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？) 32/79 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 33/79 ２０１２年７月４日：ヒッグス粒子発見 34/79 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。 35/79 CERN の LHC実験 36/79 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 37/79 38/79 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 39/79 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 40/79 LHC実験でのヒッグス粒子発見 41/79 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 42/79 LHC実験でのヒッグス粒子発見 発見 発見 43/79 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 44/79 45/79 なぜ重要な発見か？ 素粒子の質量の起源 46/79 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 47/79 48/79 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 49/79 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 50/79 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 51/79 52/79 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 53/79 準備 ～場～ 54/79 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) 55/79 56/79 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 57/79 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 58/79 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 59/79 60/79 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 61/79 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) 62/79 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) 63/79 ヒッグス粒子の誤解のまとめ 64/79 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 65/79 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) 66/79 暗黒物質 ～銀河の回転～ 67/79 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～ 68/79 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 ! 69/79 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～ 70/79 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～ 71/79 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～ 72/79 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 73/79 74/79 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% 75/79 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 76/79 77/79 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 78/79 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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