最初に自己紹介 高エネルギー加速器研究機構 素粒子原子核研究所 幅 淳二 ＢファクトリーにおけるＢ中間子研 究を通じて素粒子の世代 （generation）の起源をあきらかし たい。 Google Earth で探して下さい。 この施設での研究 は、１０月末の 講義で紹介します。 筑波山 http://www.kek.jp/intra-j/index.html 茨城県つくば市 高エネルギー加速器研究機構 祝 ２００８ ノーベル物理学賞受賞 南部陽一郎 教授 小林誠・益川敏英教授 Natureのオンライン版 高エネルギー物理学 東京理科大学 高エネルギー物理学 (素粒子物理学) （High Energy Physics） 現象には必ず理由がある • • • • • きょう高速道路はなぜ渋滞してるか？ 今年の夏はなぜ涼しいか？ ビールの栓を抜くとなぜ泡が出るか？ 水を火にくべるとなぜ沸騰するか？ 青色LEDはなぜ青色に光るか？ より基本の要素とその反応 （構成要素と相互作用）で説明すること 高エネルギー物理学 東京理科大学 物質の構成要素は何か？ 顕微鏡でクローズアップすると・・・。 CDが虹色に輝く理由は？ 「物質」の最小単位： 分子 高エネルギー物理学 東京理科大学 そしてDNA ２ナノメートル（０．００２μ） 高エネルギー物理学 東京理科大学 ゴムはなぜのびる？（引っ張る？） ゴムの不思議も分子に答えあり ゴムの分子 高エネルギー物理学 東京理科大学 微小なものを探ること どこまで小さいものを見分けられるか 顕微鏡と分解能 分解能＝a l / NA 回折干渉縞が目安 東京都立葛西工業高等学校 井上 健 氏 ウェブより 細かいものを見るためには、 波長は出来るだけ短く！ 高エネルギー物理学 東京理科大学 色と温度（波長とエネルギー） （白熱） 殺日 菌焼 作の 用原 因 （赤熱） E∝１／波長 E=hc/l=hn 高エネルギー物理学 東京理科大学 夕ぽ遠 焼か赤 けぽ外 か （ 透（で 芯 過穏ま しやで 易か い） http://www.koizumi-lt.co.jp／より転載 eV 光学顕微鏡 １００倍 MeV 超高圧電子顕微鏡 (1,000,000eV) １千万倍 keV 電子顕微鏡 (1000eV) １万倍 Guoxi E=hn=hc/l GeV KEKB加速器 (1,000,000,000eV) ？？？ 極微を見るのは高いエネルギー （素粒子=高エネルギー） 高エネルギー物理学 東京理科大学 高エネルギー物理学 東京理科大学 電子 原子核 高エネルギー物理学 東京理科大学 この先を調べるのが 高エネルギー加速器 原子 原子核 ＋ 陽子 クォーク 高エネルギー物理学 東京理科大学 1000兆分の1 メートル ー 電子 加速器とは • 粒子に運動エネルギ－を 与えて、速度を上げるた めの装置。 • 粒子の加速には、電場を 用いる。電荷をもった粒 子は、電場の中で、エネ ルギーをもらい速度が高 くなる。電子は加速され、 速度を上げて正の電極に 向かう。この時の電子の 運動エネルギ－は、電場 の中での位置エネルギ－ が運動エネルギ－に変え られたものである。 • 電極間の電圧が 1 ボルト の時、電子の得るエネル 高エネルギー物理学 東京理科大学 加速器のエネルギー • 加速器の世界では、エネルギ－は上の電子ボルトで言い表 し、そこでの、エネルギ－の単位の呼び方は以下のようであ る。 • 1 eV= 1 電子ボルト (エレクトロンボルト) • 1 keV(ケブ)= 1 キロ電子ボルト= 103 eV：1000電子ボルト • 1 MeV（メブ）= 1 ミリオン電子ボルト= 106 eV：100万電子ボ ルト • 1 GeV（ジェブ）= 1 ギガ電子ボルト= 109 eV：10億電子ボル ト • 1 TeV（テブ）= 1 テラ電子ボルト= 1012 eV：1兆電子ボルト 高エネルギー物理学 東京理科大学 (以前の)身近な加速器 • テレビやパソコンの ディスプレー用のブ ラウン管では、陰極 からの電子が約2万 ボルトの電位差で加 速され、20keVのエ ネルギーを持った電 子ビームとして、ブラ ウン管の発光面を 叩き、発光していま す。 高エネルギー物理学 東京理科大学 コッククロフト型 高エネルギー物理学 東京理科大学 • KEK 12GeV陽子加速器の 初段加速部 高エネルギー物理学 東京理科大学 バンデグラーフ型加速器 高エネルギー物理学 東京理科大学 京都大学のサイクロトロン • 質量ｍ、電荷eの荷電粒子が、速 度vで磁束密度Ｂの一様な磁場の 中を、磁場に直角に運動する時、 粒 子に働くロ－レンツ力Ｆは、evB です。この時の円軌道の半径がr であれば、ロ－レンツ力と遠心力 の釣り合いの条件から、 mv2/r = evB • 粒子が円軌道を一周するのに要 する時間は、 T＝2πr/v = 2π m/eB 一定！ 高エネルギー物理学 東京理科大学 シンクロトロン • サイクトロンには、相対論的限界あり。 • 加速粒子を円形軌道に乗せるための 多数の偏向電磁石と粒子を加速する ための電極に相当する高周波加速空 洞から構 成。加速粒子をイオン源から ビームとして取出し、線形加速器を使っ て、あるエネルギーにまで加速した後、 円形軌道に打ち込む。このとき、 円形 軌道上の偏向電磁石の磁場の強さは、 最小にする。ビーム粒子は、円形軌道 を周回するたびに、加速空洞を通過し、 その度に、加速されエネルギーが増加 する。それに合わせて、磁場も増加さ せ、同じ円軌道を周回するように調整 する。そして、最高エネルギーに達した 時、円形軌道から離脱させ、外部 へ ビームとして取り出す。 高エネルギー物理学 東京理科大学 直線型加速器 • ビ－ムを、直線状に並べた加速電場（ギャップ）によって加速 するものを、線形加速器と言う。電極は一つおきに共通に接 続され、その間に高周波電圧を加える。電極と電極の間の ギャップに発生する電場は図に 示すように、一つおきにその 向きが異なっており、粒子がギャップから次のギャップに達 するまでの時間が高周波の半周期になるように電極の長さ を選ぶと、 ギャップでの電場の向きが常に粒子を加速する 向きとなる。 高エネルギー物理学 東京理科大学 高エネルギー物理学 東京理科大学 そして人類は、加速器を手にいれた。さらに高いエネルギー （いっそう細かい極微の世界）の探求が可能となった。 続々と新粒子が発見されていった。 陽子 電子 あまりにたくさんの 「素粒子」 高エネルギー物理学 東京理科大学 まず素粒子製造のための加速器： 衝突型と固定標的型 Ecm 2 Elab mtarget Ecm E1 E2 （標的静止、高エネルギー） （加速されたビームの同士の衝突） 高エネルギー物理学 東京理科大学 世界の大型（衝突型）加速器 SLAC (Stanford) SLAC (Stanford) 2 miles=3.2km 45GeV 高エネルギー物理学 東京理科大学 世界の高エネルギー加速器 RHIC (BNL) 3.8km 0.1TeV/n TEVATRON(FNAL) 6.28km 1TeV 高エネルギー物理学 東京理科大学 UNK (Russia) under construction HERA (DESY) 6.33km 0.92TeV construction KEKB (KEK) 3km 8 GeV 高エネルギー物理学 東京理科大学 CERN モンブラン ジュネーブ レマン湖 LHC (CERN) 26km 7 TeV 周長２７ｋｍ 地下１００ｍ 高エネルギー物理学 東京理科大学 素粒子の分類とクオーク バリオン（核子、重粒子） メソン（中間子） N,D.. p r... 実はさらにさまざまの運動状態（励起状態） で多くのバリエーションが可能 クォーク3個 高エネルギー物理学 東京理科大学 クォークと反クォーク 三種類のクォークで 数多くの「素粒子」が実現できる 陽子 Δ＋＋ ud Δー d dd d d 中性子 u Δ０ u uu Δ＋ u su u d u d du Λ s du Σ 高エネルギー物理学 東京理科大学 ０ d u s Σ＋ ds dΣ ー クォークとレプトン （１９７３年当時） 通常の原子核と原子を 構成する第一世代 （u, d クォークと電子） １９３２ １９４７ １９３１ 宇宙線の現象で見つかった 新粒子 （sクォークとミュー粒子） １９６２ １８９７ １９３７ 加速器によって続々と発見 される「新粒子」 （実は、u,d,sクォークの組み 合わせとその励起状態） 高エネルギー物理学 東京理科大学 これですべてではなかった 小林･益川理論 • 小林益川モデルの提唱（1973） – ３世代６種類のクォーク – 別の大問題（粒子・反粒子の非対称CP対称性の破 れ）を解決する提案 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 小林誠 益川敏英 （その後すべてのクォークが発見された） ノーベル物理学賞（２００８） いつノーベル賞でもおかしくない！（２００７年までのスライ 高エネルギー物理学 東京理科大学 ド） 新しいクォーク・レプトン （1974年の「革命」） 高エネルギー物理学 東京理科大学 そして最後のクォーク top 高エネルギー物理学 東京理科大学 素粒子の“周期表” （２００９年現在） １９７４ １９９５ １９７６ １９９８ １９７５ 世代のなぞ、クォークとレプトンの二重性？なぜ３世代？ 高エネルギー物理学 東京理科大学 なぜ、まとまっ ているのか？ 現代の物質像 高エネルギー物理学 東京理科大学
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