反原子

反宇宙人とは握手をするな！
B-ファクトリーで何がわかるか？
------反宇宙人の見分け方教えます
高エネルギー加速器研究機構（KEK)
幅
幅
淳二
幅淳二
淳二
まず物質は何からできてるか：
顕微鏡でクローズアップすると・・・。
電子
原子核
AFM image by IBM, CsI molecules on copper
物質の成り立ち
原子
原子核
＋
陽子
クォーク
1000兆分の1
メートル
ー
電子
反物質：SFの世界ではお馴染み
光速を超えてワープ航法
反物質によるワープエンジン
光子魚雷
（物質と反物質の混合物
を投射）
反物質の成り立ち
反原子
反原子核
ー
反陽子
反クォーク
＋
反電子
(陽電子)
反粒子と粒子が出会うとお互いに消滅、
大きなエネルギーが解放される。
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。
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
２００６年６月４日
• 宇宙からの交信があった。
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。
• 初めての「未知との遭遇」。歓迎
準備で地球は大パニック！
– 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。
物質と反物質の遭遇
陽電子
電子
ud
u
陽子
水素原子
u
ud
反陽子
反水素原子
もし訪問者が反物質宇宙からやっ
てきた反宇宙人だったら・・・。
 だとしたら、地球の大
気に触れたとたん、粒
子と反粒子が対消滅し
て大爆発だ。
 大急ぎで確認するんだ。
ところでどうやったら確認できる？
 粒子と反粒子は相対
 電荷もまた相対的な概
的な概念だ。反宇宙で
念だ。原子を回る電子
「いい考えがある」の電荷の＋／－を尋
は反粒子が「普通」の
ねても意味がない。
粒子。「あなた方は反
素粒子物理学者が言った。
宇宙人ですか」と尋ね
てても意味はない。
「最近Ｂファクトリーで発見された
 交信は電磁波（つまり
現象を利用すればよい。」
光子）を使ってる。反
物質製の送信機が相
手でも区別はつかない。
Bファクトリー：
電子陽電子衝突反応で素粒子ペアの
大量生産が可能
LEP
DANE
SPEAR,BEPC
KEKB, PEP-II、CESR
衝突のエネルギー TRISTAN
ベストコンディション（１．６X１０３４／cm２／秒）
で毎秒１６ペアを量産
一億個作るのには・・・・・・・
１億個÷１６÷６０÷６０÷２４＝７２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。
（－）
+
K
粒子と反粒子：その違いをB中間
10万回に一度ほど
B
p-
子に探してみると・・・・・。
e‐
すべての粒子と反粒子は
全く対等な関係
B
e+
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・飯田ま
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（約１兆分の一秒）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？
（BESS）実験
Smoot et al. (1975)
10-2
Antihelium/helium flux ratio
ヘリウム以上の
気球による大気圏上
空（３７ｋｍ）で探す反
反原子核は見
宇宙からの反物質ー
つかっていない。
He/He limit (95% C.L.)
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。
Belle 検出器
最後に：
KEKB加速器
粒子・反粒子の非対称CP対称性の破れ
ノーベル賞が待ち遠しい！
日本の理論、日本で証明◎
 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３０年かかって
すべてのクォークが発見された）
 補足資料
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）
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。
今後数年では１０億個のB中間子対を生産。
もっと稀な（珍しい）現象の研究（10-8の感度）
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。
相対性理論の簡単な2次方程式
素粒子のエ
ネルギー
運動の勢い
質量
E2 =p2c2 + m2c4
(p=0 とするとみんなが知ってるE=mc2の式です。）
だから、エネルギー
E=
+/-
p 2c 2  m 2c 4
マイナスもあります
アインシュタインは正しかったーー
電子と反電子(陽電子)が消滅してその質量(重さ)に相
当するエネルギーE=mc2 の光子が放出された。
10.58GeV/c2
“10Hz for L=1034”
Y(4S)
_
g B0B0 (~50%)
g B+B (~50%)
5.28  2 = 10.56GeV/c2
Just above the threshold
電子陽電子(粒子・反粒子)消滅の強
い信号を発している銀河系の中心部
Credits: ESA/J. Knödlseder (CESR) and SPI team
粒子と反粒子
自然界の法則は
E   p c  m c
 粒子と反粒子で
相対性理論を量子力学に
取り入れて、素粒子の振
全く対等に見え
よく知られてるのは
る舞いを説明するディラッ
E  mc
ク方程式を導いた。
る
2
2 2
2 4
 ディラックは、反粒子の
E  p c m c
存在を予言した。(1928)
2
2
2
4
2
反粒子は粒子と質量や寿命は等しく、
電荷の大きさも等しいが、符号が反対。
すべての素粒子は、反粒子をもつ。
P. A. M. Dirac

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