クォークとレプトン

先端融合科学特論I
最先端加速器で探る素粒子と時空の物理
准教授山崎祐司（神戸大）

第１講：この講義
現代の素粒子物理概観

第２講：最高エネルギー陽子衝突実験 LHC
 実験内容の解説
 陽子の内部構造の解説

第３講：散乱粒子の測定技術
 位置，運動量，エネルギーの測定
 粒子の種類の識別
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先端融合科学特論I
2

素粒子の種類
 物質：クォークとレプトン
 その間に働く力：４つの相互作用

粒子の質量の起源と Higgs 粒子

宇宙の成分としての素粒子
 ダークマター，ダークエネルギー

さらなる現代素粒子物理の謎
 フレーバーの起源
 理論に潜む問題
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先端融合科学特論I
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
顕微鏡でのぞいてみよう
結晶
← ミドリムシ
（光学顕微鏡）
分子
鳥インフルエンザ
ウィルス
（電子顕微鏡）→
原子
インフルエンザウィルスは，なぜ
（ふつうの）顕微鏡で見えない？
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先端融合科学特論I
原子核(陽子,中性子)
4
←放射光で見た
生体物質の結晶
結晶
分子

原子
たとえば，
Spring8 で
原子核(陽子,中性子)
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先端融合科学特論I
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ラザフォード
（イギリス）1911 年
原子
アルファ線（ヘリウム
原子核）を金にぶつけ
原子の中心に原子核が
あることを発見
原子核
(陽子,中性子)
陽子
SLAC-MIT 1967 年
可視光の1000万倍のエネルギーの電子ビーム
→ 陽子の中身（クォーク）がみえる
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先端融合科学特論I
電子
クォーク
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
電子とクォークは「素粒子」
原子
 これ以上分解できない
 大きさがゼロ

ただし，今のところの話
 実験事実は
原子核
(陽子,中性子)
▪ 電子，クォークとも壊れない
▪ 大きさ：10−18 m 以下

陽子
陽子（中性子）の質量は
電子の約 2000 倍
 重さは原子の中心に集まる
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先端融合科学特論I
電子
クォーク
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
電子の仲間，
クォークの仲間とも
「３世代」ある
 だんだん重たくなる

電子の仲間
（電子とニュートリノ）
を「レプトン(軽粒子)」
とよぶ

すべてスピン 1/2 の
フェルミ粒子
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先端融合科学特論I
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
ニュートリノは，電子に化ける
 他の物質と相互作用
（弱い相互作用）して，
電荷を奪い取り電子になる

でも性質は似ていない
 電荷がない
 質量がほとんどない
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
E  h
アインシュタインの光量子仮説
 光は，振動数に比例した
エネルギーを持つ粒子（光子）
静電気力，磁気力は
光子を交換して伝わる
e
(電子)
プランク定数振動数
e
光子が
飛ぶ！
はね
かえる
e

e
量子場の理論として発展

湯川：中間子説（陽子，中性子間の相互作用）

朝永，Feynman, Schwinger：電磁量子力学の完成
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先端融合科学特論I
時間
力も粒子が伝達！
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先ほどのグラフを横倒しにした反応も存在する。
ところが，時間を逆に走る粒子が出てくる。それは変

「反粒子」として解釈
 電荷が反対（電子 → 陽電子）
 粒子とぶつかると，消滅

E 2  (mc2 ) 2  ( pc) 2
粒子・反粒子の対を，高エネルギー状態から生成
e
e
e
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e
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e+
e
e
e+
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
クォークを陽子・中性子内に閉じこめる力
 グルーオン（糊粒子）が伝達
クォーク

クォークは
３種類の電荷を持つ
グルーオン
陽子
 赤，緑，青
（光の３原色）に例える

陽子は３色混ざって白色
 色電荷を持たないので
強い力を受けない
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
力が弱いので，反応がめったに起きない

アップクォーク，ダウンクォークの入れ替えもする
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

質量が
全然違う

第４世代は
（たぶん）ない
なぜ３世代か，全くわからない
 ただし，３世代あることが，小林・益川理論の鍵
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e m t e- m t
.
.
.
u d s
c
b
top quark
- - u d s
c
b
anti-top quark
.
- - e m t e+ m t
 gluons
（質量なし）
W+, W-
Z
（陽子の質量 =
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）
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
重力は，とても変な力
 質量に比例する（正確には，エネルギー）
 むちゃくちゃ弱い。
▪ 陽子に働く重力は，静電気力の 1037 分の１
 なのに感じるのは，符号がなくて，
いつでも引力だから。
▪ 電気の力は，引力，斥力ともあって，キャンセルしている

重力も粒子で媒介されているはず
 古典物理学：アインシュタインの一般相対論 (1915-16)
 でも，だれも重力場の理論を立てるのに成功していない
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
物質は，点状の素粒子（クォーク，レプトン）で
できている。

４種の相互作用（重力，電磁気，弱い力，強い力）
も素粒子が担っている。
 ただし，「重力子」は，理論もわからず，発見されてもいない

この世を構成する（我々のまわりで見つかる）材料が出揃った
 説明に困っていない（＝理論がわかっている）のか？
 他にないのか？
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数字は粒子の質量 [GeV=10⁶eV] 陽子は 0.938
1.3
179
0.1
4.2
0.002
有限 (110⁻⁷ 程度)
5.1110⁻⁴
0.105


1.78
80.4
91.2
場の量子論では，質量を持った粒子は許されない
標準模型ではどうしたか？
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
質量を別の方法で表すと
V
 質量のない粒子：光速
追い越せない
▪ スピン右巻きの粒子は，どこ
から見ても右巻き
 質量のある粒子は追い越せる
▪ 右巻きにも左巻きにも見える

φ0
真空が０でない「期待値」
をもつと
(右巻き)φ0(左巻き)
右と左を入れ替える反応を作れる
y
カイラル対称性の破れ
南部陽一郎ノーベル賞
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先端融合科学特論I
x
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Higgs 場からの
「抵抗」が慣性を生む
Higgs 場に付随して
Higgs 粒子が存在
質量：114 GeV 以上
(LEP実験からの下限値)

Higgs 粒子が見つかって，初めて標準模型の完成
先端融合科学特論I
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
宇宙は膨張している
 宇宙の始まり：爆発
 自らの重み（重力）で収縮する？


遠くのことは，昔に起こったこと
（光の伝わるスピードは，有限）
→ 遠くの星を見ると，
宇宙初期がわかる
遠くの星の運動を調べると，
宇宙の運動がわかる
→ 宇宙の「総重量」がわかる
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
宇宙背景輻射：３８万年前の「晴れ上がり」
 それより前は，宇宙はプラズマ（荷電粒子のガス）
 このとき初めて原子ができた
ココ
宇宙の大きさ: 今の1100分の一，温度: 3000 K
それが膨張して現在の背景輻射(2.7K) になった
WMAP衛星 (アメリカ) 2003年の結果
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

宇宙全体が振動していた
振動の「ばね定数」から
宇宙の質量がわかる
 見えている質量よりずっと
たくさん物質がある
光っていないのでわからない
暗黒物質（ダークマター）
宇
宙
定
数
 宇宙の膨張が加速していることがわかった
項
 おかしい… 重力で拡張はだんだん
遅くなるはずなのに。
 「反重力」を及ぼす何かがある
暗黒エネルギー（ダークエネルギー）
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先端融合科学特論I
宇宙の物質の質量
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
宇宙は未知のもので満ちている
 われわれの知っている物質（クォークとレプトン）4 %
（そのうち星として光っているものは，わずか 0.4%）
 引力を及ぼすダークマター：23%
▪ ニュートリノではない
▪ 未知の素粒子？
 斥力のもとダークエネルギー：
のこり全部
▪ まともな仮説すらない
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先端融合科学特論I
銀河団が衝突し，暗黒物質（青）が先に
進み，普通の物質（赤）が取り残される様子
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
そもそも，なぜ３世代あるのかわからない
 ３世代は CP非保存を実現するのに最低限必要
▪ 荷電共役(C, Charge conjugation): 物質と反物質の交換
▪ パリティ(P) 変換：空間座標の反転

なぜ質量が違うのか，なぜこんなに違うのか？

なぜ弱い相互作用だけがクォークフレーバーを
変えられるのか？

なぜレプトンはフレーバーを変えられないのか？

なぜニュートリノは混合し，荷電レプトンは
混合しないのか？

第４世代は本当にないのか？

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単なる「励起状態」なら，あるはず
先端融合科学特論I
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

重力は非常に弱い
重力ポテンシャルと質量が
同程度になるエネルギー：
10¹⁹ GeV − プランクスケール
強い力
弱い力
電磁気
 ここより高いエネルギーの物理
法則は，全く不明
プランクスケール

標準理論はプランクスケール
を前にして完全に破綻
 理論の「大統一」ができない
 ヒッグス粒子の質量の２次発散
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mH2 
ヒッグス粒子の質量が反応の
エネルギーに比例して増加
先端融合科学特論I
 2
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プランクスケールまでは，今の理論体系が成り立つ

標準模型の上位模型が存在し，それが
プランクスケールまで無矛盾な理論を構築
超対称性など


いまのプランクスケールはうそ
（もっと近いところにある）




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重力は短い距離では違う振る舞いをするとすればよい
近いプランクスケールの先は全く不明だが …
余剰次元など
先端融合科学特論I
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
現存のフェルミオンに対してボゾンが
 ボゾンに対してフェルミオンが

御利益
 ヒッグス粒子の質量の２次発散を防ぐ
 結合定数の収束→大統一へ
 安定な弱相互作用中性粒子を
出せる：暗黒物質！
 物質・反物質の不均等も
説明できるかも

問題：まだ見つかってない
mH2 
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＋
 me~2 log
先端融合科学特論I
2
me~2
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
我々の生活では見えない次元が丸まっている
 プランクスケールが TeV の可能性もあり
▪ 例：ADD model, 余剰次元 
4+ 次元でのプランクスケールを
MF として M 2pl  M F2 2R 
▪ 2次元, 0.1mm ならMF = 1 TeV

余剰次元での「励起順位」から
たくさんの重い粒子が出る
2009/9/28
先端融合科学特論I
松本重貴，瀬波大土
日本物理学会誌2008年４月号
解説記事「高次元理論と暗黒物質」より 30

4+n 次元のプランクスケールよりはるかに高いエネルギーで
の衝突では，ブラックホールができる可能性がある
 インパクトパラメータが Schwarzschild 半径以下の時

ブラックホールが地球を
吸い込む？
 ホーキング輻射によりすぐ
崩壊するので安全です
安定なミニブラックホールが
存在しない証拠もあります
http://www.kek.jp/ja/news/topics/2008/LHCsafety.html （日本語）
2009/9/28
先端融合科学特論I
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

降ってくる暗黒物質をとらえる
宇宙背景ニュートリノをとらえる
 宇宙始まりの１秒後まで見える

待てないならば，地上で作ってみよう！
 物質，反物質の対生成なら，
高エネルギー衝突で作れる
 未知の相互作用を
おこすことができる
 フレーバーの希な遷移を
もっと細かく調べられる
新粒子
陽子
クォーク
陽子
新（反）粒子
2009/9/28
先端融合科学特論I
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

素粒子：クォーク，レプトン，力の媒介粒子
わかっていないこと
 質量起源 (Higgs ?)
 ダークマター
 ダークエネルギー（つまり，重力）
 フレーバーの３世代構造
 上記の４つのようなとても難しい問題だけではなく，
今の理論体系も

ブレークスルーと期待：LHC実験
これまでのほぼ一桁上の衝突エネルギー
2009/9/28
先端融合科学特論I
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