現代物理学概論ＩＩ講師１．石川健三２．大川房義３．加藤幾芳４．山本昌司講義予定 • • • • • • • • • • • • • • • • 2011年１学期の講義予定月日副題講師１（4月1４日）入門＋ガイダンス（石川健三）２（4月2１日）物質の変換と＋エネルギー（石川健三）３（4月2８日）素粒子間の力と原子力エネルギー（石川健三）４（5月1２日）素粒子物理（石川健三）５（5月1９日）物性の物理:対称性とその破れ（大川房義）６（5月2６日）物性の物理：対称性とその破れ（大川房義）７（6月２日）原子核発見100周年：原子核物理の課題（加藤幾芳）８（6月９日）核エネルギーと人類（加藤幾芳）９（6月1６日）放射線の科学（加藤幾芳）１０（6月2３日）核反応の物理と応用（加藤幾芳）１１（6月３０日）物性の物理:自然現象から人類の営みまで（山本昌司）１２（7月７日）物性の物理：相互作用と相転移（山本昌司）１３（7月1４日）物性の物理：環境問題に挑戦（山本昌司）１４（7月2１日）物性の物理＋物理の歴史（大川房義）授業の目標科学技術リテラシーとして、現代物理学の基礎から最先端分野までの展開、現代物理学の成果が社会に活用されている状況を紹介し、物理学のおもしろさ、重要さ、そして自然の仕組みを理解する。特に、現代社会で重要な役割を果たすエネルギーや環境問題について、幅広い観点で原子力エネルギーまで含めて論ずる。到達目標現代物理学の基礎から最先端科学のトピックスの知識を修得し、それが科学的、文化的にどのような意味をもつのかを考える。また、物理学が私達の生活にどのように関与しているかについて考察する。特に、原子力、原子力発電、環境問題、大地震・大津波、またこれらによって引き起こされた原発事故に関する物理を通して、科学の役割を理解する。物理学の二つの側面１１自然の認識（考え方）の基礎力学、電磁気学、熱学、統計力学量子論、相対論運動の法則：ニュートン物体の運動で、加速度は力に比例して、質量に反比例する。新たな概念：質量、力物理学の二つの側面２２最先端科学・技術の礎でもあり、“frontier” としての担い手でもある。電気、電子、半導体、エネルギー、素粒子、原子核、宇宙、－－－電子：陰極線（ガイスラー）、電荷（ミリカン）、電磁波：電磁誘導（ファラデイ、マックスウェル）物性理論統計理論原子核理論強相関電子物性磁性素粒子論高温超伝導宇宙理論低次元物質極低温物性宇宙観測光物性複雑系現代物理学 • 物理学の柱Ｉ古典物理学力学、電磁気学、熱力学、統計力学ＩＩ現代物理学量子力学、相対論物理学科では何を学ぶ？電磁気学解析力学熱力学量子力学物理数学演習外国語文献講読素粒子物理学統計力学原子核物理学相対論物性物理学物理数学物理学実験宇宙物理学卒業研究正しい自然観力学 • ニュートンの運動法則１慣性の法則２物体の質量（Ｍ）ｘ加速度（Ａ）＝物体に働く力（Ｆ）、ＭＡ＝Ｆ３力の作用と反作用すべての物体は固有の質量をもつ。力は、物体に運動を引き起こす原因となる。電磁気学 • 電荷をもつ物体の間には、電荷に比例して距離の２乗に反比例する大きさで、両電荷を結ぶ方向の力が働く。 • 電流間には、電流の積に比例しほぼ距離の２乗に反比例する大きさの力が働く。方向は、ベクトル積で決定される。 • これらの力は、電場や磁場によって引き起こされる。また、磁場の時間変動は電場の働きをし、電場の時間変動は磁場の働きをする。熱学・統計力学 • すべての物体は、非常に小さな原子、分子等の集まりから構成されている。 • 温度はこれらのランダムな運動の程度を表わす。熱量は、温度変化を引き起こす原因となるが、力学的なエネルギーと等価である。原子論 (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、崩壊する物質原子論の進展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。エネルギー・質量の換算陽子質量 m 静止エネルギー量子論ミクロな世界は、粒子性と波動性を併せ持つ複素ベクトル空間で表わされる。複素波動関数が基本的な方程式であるシュレーデインガー方程式に従い時間発展する。波動関数は、決まった方程式に従うが、物理状態を観測すると、事象は、確率的に発現する。確率は、波動関数の大きさで決定される。１光は波か粒子か？（i）光は、波である。干渉や回折現象を示す。 Youngの２重スリットの実験ニュートン・リングの干渉縞 (ii)光は粒子である。１個、２個、３個、のエネルギーや運動量光電効果、黒体輻射（i）光は波である (ii)光は粒子である光が素過程で持つエネルギーは、振動数に比例する。（波としての強度ではない） E=ｈ（振動数）；ｈプランク定数６ｘ１０＾｛－２７｝エルグ秒光電効果光が金属中の電子と衝突して、電子が外にはじき出される１．電圧ー電流特性２.光の振動数と最低電圧（電子の運動エネルギー）光電効果のまとめ一個の光のエネルギーが一個の電子のエネルギーに変換された。電子エネルギー＝光のエネルギーー W 光のエネルギー＝ｈ（振動数） W=仕事関数（金属で決まっている）電荷と光の相互作用（電磁相互作用）光 • 光は、マクロな世界で波であるが、ミクロな世界における素過程では、波と粒子の両性質を併せ持つ。ーー量子力学 Wheeler‘s Classic Delayed Choice Experiment （波動性と粒子性の共存）相対論 • 時間と空間は別個のものではなく、等速度で運動する観測者からみた時刻や空間座標は、静止した観測者から見た時刻と座標で決定される。 • 光の速度は、いかなる観測者からみても同じ大きさである。質量の換算陽子質量 m 静止エネルギーエネルギー保存則 • エネルギーは、一定に保たれる。１．力学的エネルギー＝位置エネルギー＋運動エネルギー物体を落下させると、大きな速度をもつ。２．熱量＋力学的エネルギー化石燃料が燃焼すると、熱が生ずる。３．物質の変換質量が変化すると、エネルギーが生成される。エネルギーの生成と変換 • 位置エネルギーの変化：落下 • 化学エネルギーの変化：燃焼 • 質量の変化：アルファ、ベータ、ガンマ崩壊、核分裂、核融合電気エネルギー：電流と電圧２電磁波と光 • 電磁波波長エネルギー電波 10^{-4} ｍ以上赤外線 10^{-5} ｍ eV 可視光 10^｛-7｝ｍ紫外線 10^{-8} ｍＸ線 10^{-9}－10^{-12} m ｋｅＶガンマ線 10^{-12}m以下 MeV以上２－１ミクロな世界における電磁波黒体輻射熱された金属はなぜ赤色や黄色に輝くか？物質の熱エネルギーが、光のエネルギーに変換される。暗闇にいる犬の赤外線カメラ像温度Ｔ気体の温度がＴKであるとき、気体分子は平均エネルギーＥ(平均)＝３／２ｋＴ（ｋ：ボルツマン定数）、分布関数Ｐ（Ｅ）＝e^(-E/kT) をもつ。ｋ＝８．６１ｘ１０＾｛－５｝ eV/K ２－２温度と光（電磁波）電荷を持つ物体の衝突の素過程では、光が生成される。Ａ＋Ｂ＞Ｃ＋Ｄ＋光光＋Ａ＞光＋Ｃ光と電荷を持つ分子や原子は、衝突で熱平衡になる。光の平均エネルギーも “ｋＴ” になる。光のエネルギーの分布関数は？光の熱平衡状態？ • Ａ＋Ｂ＞Ｃ＋Ｄ＋光当初光は存在しなくても、ＡやＢが電荷をもつならば、電荷と光の相互作用により、熱平衡状態には、光がたくさん含まれる。（光の数は保存しない）温度が高いほど、光のエネルギーも高く、個数も多い。２－３黒い壁に囲まれた温度Ｔの空間壁を作る原子や分子は、電荷を持つ原子核や電子からできている。壁の分子＋壁の分子＞壁の分子‘＋壁の分子＋光壁を、高い温度Ｔにすると内部は真空でも、光が充満する。光の温度は、壁の温度と同じになる。２－４熱した金属黒体輻射と同じで、温度に応じた光を放射する。放射される光の分布は、高い温度ほど高いエネルギーを持つ。エネルギーは振動数に比例するので、高いエネルギーは、短い波長に対応する。分布関数ミクロな状態の光の性質で決まる。光はボース・アインシュタイン統計に従う。光のエネルギーは、光子のエネルギーと光子の数の積できまり、光子のエネルギーは振動数に比例する。プランク分布Ｐ（Ｅ）＝１／（e^{hx振動数/kT}-1) プランク分布プランク分布Ｐ（Ｅ）＝１／（e^{hｘ振動数/kT}-1) 6000 K 強度分布ｖｓ波長太陽光 • 太陽表面で生成された光が、地球上まで伝播してくる。 • 電磁波の形で、エネルギー（輻射エネルギー）が伝播してくる。 • 太陽の内部では、いかなる機構で大きなエネルギーが生じているか？太陽は、何故燃え尽きないのか？化石燃料の燃焼とは、異なる機構で、エネルギーが生成されている。天体で典型的な温度宇宙開闢の頃 10＾32 K 太陽中心 10＾7 K 太陽表面 6000 K 宇宙の晴れ上がり 4000 K 星間雲 10-100 K 現在の宇宙背景放射 2.74 K ミクロな世界の特徴（量子力学） • 光は、波であると同時に粒子である。 • 電子も、粒子であると同時に波である。ーーー＞１．電子は、干渉や回折を示す。２．電子は、原子の構成要素であり、弦や波動の特徴である固有振動モードをもって、とびとびのエネルギーをもつ。電子の干渉（外村）原子論の進展水素原子内の電子の固有エネルギー • Ｅｎ＝－ R 1/n＾２ (n=1,2,3,--E1=13,6 eV • 酸素原子の固有エネルギー • 水分子（Ｈ２Ｏ）の固有エネルギー • Ｅｎ＝複雑な式となる。とびとびの値、化学結合エネルギーエネルギー保存則 1 力学運動エネルギー＋位置エネルギー＝一定物体（Ｍ）は高い位置（ｈ）にある時、Ｍｇｈの位置エネルギーをもつ。これが落下すると、Ｍｇｈ＝１/２ M v^2--- v^2=2gh g = 9.8m/s^2-h=100mで v= 45m/s（秒速４５ｍ） ---> 毎秒1トンの水では、 --->Ｗ＝１０００ｘ１００ｘ９．８＝１０＾６ジュールのエネルギー２熱力学 • ｄＵ＝－ＰｄＶ＋ｄＱ‘ 内部エネルギーの変化ｄＵ圧力：Ｐ、体積：Ｖー＞ＰｄＶ体積変化の仕事熱量ｄ‘Ｑ • 熱量と力学的なエネルギーは同じ。１カロリーは、４.１８ジュールである。ジュールの実験（重力エネルギーを水の温度上昇に換算）３様々な反応 • Ａ＋Ｂ--- C+D • 炭素(C)＋酸素(O^2)２酸化炭素(CO_2) + 化学結合エネルギーの差化石燃料や木の燃焼で、発生する熱を利用。炭素と酸素を結合させる。炭素と酸素は、安定な物質であるので、両物体を接しただけでは、化学反応は起きない。高温にさせて両物体を接すると、化学反応が起き、さらに熱を発生する。発生した熱が、つぎの化学反応を起こさせる。この連鎖反応によりエネルギーが、生成されるのが燃焼である。分子や原子の結合エネルギー • ミクロな世界の固有（振動）エネルギー • 分子や原子がいかなる構成要素から成っているのか、に応じて決定される。 • 量子力学を使い、難しい計算を実行できれば、理論的に値を求めることができる。 • 電荷間に働く電気的なクーロン引力によって、＋電荷とー電荷をもつ原子核と電子が束縛された状態である。水素原子の固有エネルギーＥ＿ｎ＝－Ｒ（1/n^2) (n=1,2,3,--) 4 多くの種類の原子 • 原子は、原子核と電子の束縛した状態である。原子核と電子は、電気的なクーロン力で引き合う。 • さらに原子核は、陽子と中性子の結合した束縛状態である。陽子と中性子は、核力で引き合う。原子核の固有エネルギーは、ミクロな世界の量子力学で決定される。化学エネルギー • 化学結合のエネルギーは、おおよそ数eV の大きさである。 5 原子核の２つの反応１崩壊反応アルファー崩壊（核力）、ガンマ崩壊（電磁気力）、ベータ崩壊（弱い相互作用） 1-1 ベータ崩壊の例：ヨウ素＾｛１３１｝ キセノン＾｛１３１｝＋電子＋ニュートリノ 1-2 ガンマ崩壊の例：キセノン＾｛１３１｝の励起状態-> 基底状態＋ガンマ線 1-3 アルファ崩壊の例：原子核の反応 2 • Ａ＋Ｂ Ｃ＋Ｄ核分裂核融合原子核のエネルギー準位太陽内の核融合 • 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ＭｅＶ＝１０＾６ eVは、化学エネルギーeVの約、１０万倍エネルギーの比較水１分子当たり換算：１．１００ｍ落下の重力エネルギー： 18x10^{-3}x9.8x100 J/mol=18 J/mol=2x10^{4}eV ２．摂氏１0度温度上昇熱： 4.18x180 J/mol= 8x10^{-3} eV ３．蒸発熱：40kJ/mol= 0.4 eV ４．化学結合エネルギー： 10 eV ５．核の変化： MeV= 10^{6} eV ３素粒子間の力と原子力エネルギー • 現代原子論と4種類の基本的な力１２３４重力（万有引力）電磁気力（クーロン相互作用）弱い相互作用強い相互作用この4つの力が、すべての変化の起源となっている。身近な力（バネ、抵抗、抗力、筋力、－）は、基本的な力ではなく、物質の効果で生成される。原子論の進展何故、このような分子、原子、原子核、陽子（ハドロン）、等ができているのか？これらの働く力は、すべて同じか？電磁気力と強い相互作用第一の周期律表（1869)（原子）（メンデレーエフ） H Li Be B C N O F Na Mg Al Si. P S Cl K Ca Sc Ti V Cr ---- Ga Ge A Se Br Rb I Cs （略） Fr ----１ He Ne Ar Kr Xe Ga,Ge ：当初は未確認でメンデレーエフが予言した。原子の構造重い原子核（正電荷）と軽い電子（負電荷）原子核 H 水素原子核 He ヘリウム核 LI リチウム核 Be A ひとつの核（電荷） +１ +２ +３ +４電子１２３４ +A A （電荷）－１－２－３－４－A すべての原子核は陽子と中性子から構成例：一人の人体（６０Kg) 中での陽子数、中性子数、電子数質量組成比個数水素４９％炭素２５％酸素２５％陽子数（電子数）１ｘ１０＾２８中性子数１０＾２８第二の周期律表（１９６０）（バリオン、中間子） • 陽子や中性子の沢山の同類（仲間）中性子シグマ（ー）シグマ（０）ラムダグザイ（－）陽子シグマ（+）グザイ（０） • 陽子、中性子、シグマ、ラムダ、グザイは３個のクォークから構成 SU(3)群 • 第三の周期律表（１９７０－）クォーク  u  c  t       d  s  b  とレプトンニュートリノ  e          e      SU(２)ｘU(1)xSU(３)ゲージ理論３自然界の４つの力 •  電磁気力光（光子）電荷間や電流間の力電磁場 • 弱い相互作用ウィークボソン（W、Z）ベータ崩壊 • 強い相互作用グルーオン（ｇluon）核子内のクオーク間の力や核力 • 重力相互作用重力子万有引力電磁気力と重力 • 距離の２乗に反比例する大きさｘ電荷の積または質量の積に比例電磁気力原子核と電子間の力ーー原子、分子を構成する起源重力太陽と惑星の間の力ーー太陽系、銀河、等を構成する起源電磁気力の特徴 • 距離の二乗に反比例する。 • 同符号の電荷間で斥力、異符号の電荷間で引力である。 • 電荷だけで力は決まり、物質の詳細に依存しない。 • 物質の電荷は、e(電子の電荷）の整数倍である。 • 電荷の周囲には電場が、電流の周囲には磁場ができている。電場や磁場の振動が、電磁波であり、空間を伝播する。 “光が電磁気力を媒介している”とは？１．もしも光が存在しなかったら、荷電粒子は自由運動をする。２．電場・磁場がなければ、力が働かない。３．荷電粒子の運動を急激に変化させると、光（電磁波）が放射される。４．電場・磁場の時間・空間振動が、電磁波（光）である。（マックスウェル方程式）つまり、“ 場が力を媒介し、場の振動が光である。” 水素原子の固有エネルギーと線スペクトルＥ＿ｎ＝－Ｒ（1/n^2) (n=1,2,3,--) 弱い相互作用と強い相互作用短距離で,素粒子に働く力（ 10^{-15}m ) • 強い相互作用（閉じ込め）原子核の内部で、核子間に働く引力クォーク間に働いて核子や中間子を構成する • 弱い相互作用 (重い弱ボソン）物質の崩壊の起源例：ベータ崩壊起源強い相互作用 • 原子核は、１０＾｛－１５｝ｍの大きさであり、陽子と中性子が結合した束縛状態である。 • 力は、近距離でV(r)=Ve^{-m r}/r(湯川型ポテンシャル）、ｍ＝１４０ＭｅＶ（湯川中間子） • 核力は、中間子が媒介にしている。 • 核力によって陽子や中間子が束縛した状態が、原子核であり、沢山の基底状態や励起状態がある。 • 強い力で、また近距離力であるので、励起エネルギーは、大きい（ＭｅＶ）ＫｅＶ質量数１３１の原子核（陽子数＋中性子数＝１３１）核力や中間子の現代的描像 • すべてのハドロン（核子、中間子）はクオークと反クオークから構成されている。力は、グルーオンによって引き起こされる。ゲルー（のり）オンが、新たな力を与える場である。 • 陽子（ｑｑｑ； uud) • 中性子（qqq; ddu) • パイ中間子（湯川粒子）（ｑ-反ｑ; u-反d,d-反u,u反u-d反d) 等 • クオークや反クオークの入れ替えが、中間子を媒介にする力となっている。クオークと反クオークがグルーオンの力で結合して中間子となる。クオーク反クォークグルーオン中間子３クオークがグルーオンの力で結合して陽子となる。クオーククオーククオークグルーオン陽子第二の周期律表（１９６０）（バリオン、中間子） • 陽子や中性子の沢山の同類（仲間）中性子シグマ（ー）シグマ（０）ラムダグザイ（－）陽子シグマ（+）グザイ（０） • 陽子、中性子、シグマ、ラムダ、グザイは３個のクォークから構成 SU(3)群弱い相互作用 • 物質は、崩壊や変換を行う。これは、引き起こす力（相互作用）が自然界にあるからである。ベータ崩壊中性子---> 陽子＋電子＋電子ニュートリノミュー--> 電子＋電子ニュートリノ＋ミューニュートリノ原子核のベータ崩壊（2種類）Ａ---> A’+電子＋ニュートリノ（ベータ崩壊）Ａ+電子--->Ａ‘＋ニュートリノ（電子捕獲）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弱い相互作用の起源 • 弱い相互作用は、弱ボソン（Ｗ，Ｚ）によって引き起こされる。 • ＷとＺは、大きな質量をもつ（陽子の９０倍）。 • Ｗ,Zは、重い光子の性質をもつ。 • Ｗ,Zは、弱電荷と普遍的に結合し、物質に依存しない。ゲージ場として、振動し、伝播する。 • 弱い相互作用のために、物質の崩壊や変換が引き起こされる。このさい、エネルギーが生成される。 • ベータ崩壊は、人工的に変えることは難しい。ベータ崩壊Ａが崩壊する。崩壊先は、Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅである。どのモードに崩壊するか、確率はわかる。しかしどのモードに崩壊するのか、確率以上のことはわからない。量子力学多くのモードに崩壊する • 各モードへの崩壊確率が決まっている。 • すべての崩壊確率の総和は１である。 • 大きな分岐比のモードへの、崩壊確率が大きい。 • どのモードへ、崩壊するのかは、予め分からない。確率だけが、わかる。 • 崩壊の平均寿命が分かれば、時間的な変化が分かる。指数関数的に、減衰する。ベータ崩壊の様子（質量数１３１）太陽内の核融合（3種の相互作用の結果） • 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 ) • ニュートリノ一個ニュートリノの歴史 • ベータ崩壊では、ニュートリノが生成される。１ベータ崩壊の発見１８９６ベックレル２ニュートリノ仮説１９３０パウリ３実験的存在証明１９５３－１９５６ライネス、コーエン４．空間反転の破れ１９５７リー、ヤン、ウ― ５．二つのニュートリノ１９６２６．ニュートリノ天文学１９８７神岡（小柴他）７ニュートリノの質量と振動現在重力 • 万有引力（ケプラー、ニュートン、－－） • 太陽系、銀河、宇宙等の大きなスケールにおける、自然現象で、重要な働きをしている。 • ミクロな世界では、力の大きさは、電荷間の力よりもはるかに小さい。 • 電子と陽子の間の力では、約40桁小さい。万有引力定数Ｇ • 万有引力の法則Ｇ＝６．６７４２（１０）ｘ１０＾｛－１１｝ｍ＾３/Ｋｇｓ^2 Ｇを精密に決定する方法はあるか？銀河質量は、力学的に決まる。 • 自然の成り立ちには、原因がある。 • 各素粒子の質量は、ヒッグス場によって決まっている。 • その機構は？また実験的な検証は？ • 宇宙には、ダーク・マター詰まっている。 • 次回のテーマ。電荷＋２/３|e| ー１/３|e| 0 ー|e| 現代の素粒子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。（重力質量）（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。（慣性質量） F=m a (３）多数の物体の質量は、各質量の和である。 M=m1+m2 質量について１．合成系の質量は、各要素の質量の和である。２．質量は不変か？３．質量の起源は何か？２．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、 • 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）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クォーククォークレプトンの質量陽子質量電子質量 W,Zボソン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、 (ダークマター）４：ニュートリノの質量の発見 • ニュートリノの質量は、極めて小さい M_ニュートリノ < Ｍ_電子/１０＾｛６｝ • 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。ニュートリノの歴史 • • • • • • ベータ崩壊の発見ニュートリノ仮説実験的存在証明空間反転の破れ二つのニュートリノニュートリノ天文学１８９６ベックレル１９３０パウリ１９５３－１９５６１９５７１９６２１９８７神岡（小柴他） • ニュートリノの質量と振動現在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。 • 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割程度が観測デイビスの実験神岡実験（小柴、戸塚他）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。これから、ニュートリノの質量差が分かる。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。 • 光や電子波の空間的な位相干渉と同様なニュートリノ波の干渉はあるか？ O ニュートリノを筑波で生成し神岡（岐阜）で観測する O ニュートリノを柏崎で生成し、神岡で観測する 5：素粒子の質量５－１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。 • 但し、ＷボソンやＺボソンは通常の電荷とは別の弱い電荷と結合する。 • 同じ粒子が、質量がある場合（相）とない場合（相）がある。クォークレプトンの質量陽子質量電子質量Ｗ，Ｚボソン 5－２：質量の起源は何か？ • 物理的な相の効果は、未知の場（ヒッグス場）による。 • 質量は未知の素粒子（ヒッグス粒子）が原因である。 • 真空中ではヒッグス（場）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）。 • ヒッグス粒子を探す実験（ＬＨＣ実験）が始まる。 2 質量は物理的な相の機構で決まり、相の効果で質量が有限になる高エネルギー粒子：一部反射低エネルギー粒子：完全反射相１相１（零質量）相２（有限質量）南部陽一郎相２ LHC加速器５－３ヒッグス粒子探索 • LHC実験（CERN) ヒッグス粒子の発見は？質量の起源であるヒッグス粒子を探す６．宇宙における質量 • ダークマターが宇宙に沢山存在する。 • 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。新粒子か？６－１宇宙の始まりは超高温６－２宇宙の過去を覗く（WMAP) 温度の角度分布を角運動量で分解して表示宇宙はダークマター、ダークエネルギーが占めている６－３：銀河とダークマター見えない質量（ダークマター）を見る • ｘ星の運動７．ダークマターと素粒子 • 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。現代の素粒子ダークマターは新たな素粒子？ • 既存の素粒子には、ダークマターとなる素粒子はない。 • ダークマターは、今まで見つかっていない、新たな素粒子であろう。８．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。 • なぜ、ニュートリノの質量が特異なのか？その絶対値は？ • 質量の起源であるヒッグス粒子の探索がLHC 実験で始まる。 • 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？