最終講義 2010年3月6日 55号館N棟大会議室早大応物・物理における素粒子論事始め物理学科大場一郎１．物理学科誕生まで創立者大隈重信、長崎でフルベッキと出会う鍋島藩医学寮中の蘭学寮で蘭学を学ぶ大庭雪斎訳『民間格致問答』で物理を学ぶ蘭学から洋学へフルベッキ：1859年アメリカから派遣の伝道師移民前の蘭、後の米で土木技師として活躍 1860年頃フルベッキと会う 1863年頃長崎奉行、洋学所を設立、フルベッキ校長 1865年鍋島藩、長崎に致遠館設立、フルベッキ校長大隈、設立を主導このような背景で理学科を設立 1923年基礎工学実験室の開設・・・基礎科学研究の母体 ●理工の基礎科学部門の教育・研究機関教員用実験設備・文献、共同利用管理運営基礎物理実験指導、数学・力学等の教育１９４９年新制大学への移行基礎工実験室を母体に応用物理学科設立教授：宮部宏、小泉四郎助教授：中野稔、広田晴男、上田隆三専任講師：飯野理一特研生：並木美喜雄、矢野泰技術職員：２事務職員：２理論物理学と物性物理学を中心 1958年計測工学コース発足応物としての体制が整う！発足当時のカリキュラム ○教養科目 ○専門必修科目数学（4）、物理数学（10）、力学（4）、理論物理学（8）原子物理学（4）、応用物理学（8）、化学物理（4）物性論（4）、図学及製図（2）、演習（6）実験：物理（2）、化学（2）、化学物理（2）、応用物理学（4）卒業研究（10） ○専門選択科目物理数学特論（2）、電磁気学特論（2）、量子論（2）連続体の力学（2）、振動特論（2）、光学特論（2）分子構造論（2）、放射線学（2）、応用物理学特論（2）真空技術（2）、高圧技術（2）、写真技術（2）、自然科学史（2）理学系科目に重心を置き、物理学科志向２．高エネルギー物理学（HEP）研究室の誕生 1954年理工学研究所のあり方と将来計画新たな柱 ⇒ 「自動制御」と「原子力工学」原子力工学：基礎的研究？より広汎な研究（原子炉を含む）？ 1958年所長：小泉四郎教授幹事：並木美喜雄助教授研究部会「核物理および核工学」を設ける最高顧問朝永振一郎教授のもとで理論核物理人事選考 1959年山田勝美（核理）、大沼昭六（核理）小林澈郎（素）着任高エネルギー物理学研究室（喜久井町）の誕生並木美喜雄助教授、小林澈郎助手 1969年小林教授、都立大へ転出 1970年大場、理工学部専任講師となり、並木教授とHEPを運営電気通信から素粒子論へ（並木先生） 1948年早大電気通信学科卒業文部省特別研究生となる（1948～53年） 1948年～51年東大小谷研で電磁波現象論を研究この間教育大学光学研究所の朝永ゼミに参加素粒子論研究に関心を持つ 1951年～53年阪大内山研で素粒子論を研究、以降専攻分野 1953年早大応物助手早大での未開の分野、素粒子論研究を開始 1954年専任講師 1957年助教授 1959年ＨＥＰ研究室の立ち上げ ○ブラウン運動の量子力学的定式化散逸過程の量子化(斎藤) ○多重発生流体模型の場の理論的基礎付け高エネルギー宇宙線による中間子多重発生強い相互作用の構造が同定? 火の玉模型（フェルミ）、流体モデル（ランダウ）中間子場の相互作用 ⇒ 物理量（Ｅ、ｐ、・・・）場の理論 ⇒ 流体模型の適用限界評価現在のＲＨIC、ＬＨＣなどの加速器実験クォーク・グルーオン・プラズマの基礎理論 ○波束を用いた量子力学の定式化（飯野） ○グリーン関数の数学的定式化応物若手として孤軍奮闘！３．ＩＣＥＦ（国際共同原子核乾板飛行計画）データ解析（並木、小林（澈）、大場、折戸、大沢、小林（庸）、柴田）シカゴ大学Ｓｃｈｅｉｎ → 小柴宇宙線による中間子多重発生事例（原子核乾板）高エネルギー核衝突 ⇒ 複数のクラスター生成 ⇒ その崩壊、パイ中間子発生クラスター間の運動量移行量の多寡 → 多重発生現象の分類クォークのカスケード的ハドロン化模型の魁４．クォーク模型と素粒子反応 1964年クォーク模型の提唱 M. Gell-mann, A. Zweig 実験的質量準位を見事に説明重粒子（p,n,Λ,Σ0,±,Ξ0,-） 8重項, ・・・・10重項中間子（π0,±,, K0,+, K0,-,η） 8重項（坂田模型・・・重粒子10重項の説明不可）奇妙な基本粒子：電荷：1/3, 2/3 重粒子数：1/3 当時の主流 8重項を導く単なる“数学的道具” 1965年町田-並木クォークは物理的実体 ⇒ 核力の“固い芯” の説明に成功４-A．弱相互作用１９６６年並木、中川、大場、小林（庸）クォーク実体模型で中性子β崩壊を解析素過程：d → u + e- + ν（bar） GA/GV ⇒ 核子波動関数の主要成分： SU(2)×SU(3)対称（SU(6)の５６次元既約表現大魚を逸す!!）南部のカラー量子数導入へとつながる１９６７年大場非レプトン崩壊へ拡張 Σ, Λ → N + π 「Lee-菅原の関係式」をクォークモデルから導く “弱相互作用の素過程はクォークレベル” ４-B．電磁相互作用（60’ｓ後半～80’s前半）（並木、小林（澈）、藤村、小林（庸）、織田、斎藤、岡野、松田、木造、大下）少数核子原子核（p, n, D, He,…）物理的実体である 3n (n=1,2,…)個クォークの多体系相対論的な束縛状態時空的な広がり ⇔ 相対論的波動関数電磁的相互作用（光子で触る） ⇒ 電磁形状因子大運動量移行量領域（より内部領域）形状因子の負ベキ的振る舞い ⇒ 相対論的効果弱相互作用にも適用 … 岡野ら弱形状因子現在のクォーク原子核物理学の魁４-C．強い相互作用と双対性高エネルギー素粒子反応に現れるハドロンの複合粒子性並木、大場 πN後方散乱のピーク ← クォーク組み換え散乱分子型模型と原子型模型の区別が可能？１９６８年 G. Veneziano 双対振幅（４体）の提唱 Veneziano振幅の拡張と新たな可能性（並木、大場） ○off-mass-shell振幅 ○電磁相互作用の導入 ○ボソン電磁形状因子 ○Pomeranchuk項への寄与特に包含反応に適用 ⇒ ６体振幅の和則に現れる双対性の確認４-D．ループを通しての未知クォークの寄与 Glashow-Iliopoulos-Maiani（GIM）機構 ΔS≠0 中性流の抑制 ⇒ ｃ-クォークの予言１９８１年木造、岡野、山中、大場標準模型の枠内 axial vector neutral current，γ５量子異常 ⇒敷居値以上の重クォークの寄与木造（東海大）が引き継ぐ 4-E. 高エネルギー素粒子反応、多重発生（並木、大場、鈴木、金井（中野）、中村（純）、伊達）５．量子力学における観測問題（並木、S. Pascazio, 中里、大竹、・・・） 1980年町田-並木 ‘波束の収縮’⇒ 多ヒルベルト空間における動力学過程 □中性子散乱でのデコヒーレンス □量子系の短時間発展過程、量子ゼノン効果・・・６．クォーク・グルーオン・プラズマ（QGP）（並木、水谷、室谷、赤瀬、伊達、安田、中村（博）、平野、野中、森田） 1988年水谷-室谷-並木 QGPの第一原理 … 量子色力学半現象論的取り扱い □多体量子系の代表的モードの存在 ⇒ 量子Langevin方程式 ⇒ 物質定数 □時空発展 ⇒ 相対論的流体方程式 QGP時空発展のシミュレーション・スキーム QGP流体模型のプロトタイプ RHIC、LHCデータの有力な解析手段７．確率過程量子化法（並木、大場、岡野、山中、中里、田中、金長、菰池、水谷、湯浅） 1981年 Parisi-Wu 確率過程量子化物理系（時空（1+3）+‘仮想時間τ’）確率的時間発展⇒平衡 ⇒時空（1+3）の分布関数：Feynman積分表示（物性：物理系（空間（2）+t 確率過程分布関数） Langevin方程式（F-P方程式）：ドリフト力 ∝ （古典的運動方程式からのズレ）乱雑力 ∝ Planck定数特徴： (×） L， (×） H，（○）運動方程式 □ □ □ □ 非アベル・ゲージ場のunitarityとFPゴーストゲージ固定と初期条件演算子形式と繰り込み数値シミュレーション NLσモデル、φ4モデル、φ3 モデル □ フェルミ場 □ 第2種拘束系 □ BRST不変性 □ 量子異常項の導出 □ 下方非有界作用を持つ系 □ チャーン・サイモン場・・・・・・場の量子化：多種多彩な観点からの有効な再評価実用上はファインマン図の方法がより簡単で便利８．Nelsonの量子力学---実時間確率過程量子化法 current velocity v(x,t)： kinematical eq. と osmotic velocity u(x,t): Nelson-Newton方程式に従う力学変数ｘ（ｔ） ⇒ 確率変数 ⇒ 上記2つのeqs．の解v,uをドリフト力とするLangevin eq. に従うとある（ノイズ列）ｉ ⇒ とある粒子軌跡ｘi（ｔ）アンサンブル｛ｘi（ｔ）｝ ≡ Sch.振幅のコペンハーゲン解釈 □一見古典的軌跡ｘi（ｔ）の存在、 event by event!! □ しかも波動関数の位相情報を含む８-Ａ．トンネル時間（大場、山中、今福、原）マイクロエレクトロニクス微細化、集積化要素間のプロセスで電子のトンネル過程作用速度 ⇒ “トンネル時間”の知識正準形式・・・時間は単なるパラメータ量子力学では規定する手段なし Nelsonの量子力学 ⇒‘軌道’の存在とある‘領域通過時間’の規定可能 □ □ □ □ トンネル時間の‘定義’ 非弾性チャンネル効果ヴィジビリティによるトンネル時間測定法トンネル時間分布の統計性と粒子-波動二重性８-Ｂ．多種/多体系への拡張（黒川、大場）Ｌａｎｇｅｖｉｎ方程式の拡散定数 ∝ h/mi Nelson の方法そのものでは多体化が困難問題とする物理量を current velocity ⇒ current momentum osmotic velocity ⇒ osmotic momentum 多体系への拡張が成功 1体分布だけでなく高次相関粒子分布（2次、3次、・・・） HBT効果：イベントごとの時間発展フェルミ粒子、ボース粒子の統計の効果、・・・９．電界電子放出大島研究室：高品質電子線の開発、基礎物理学的諸実験の実行 □ナノサイズ・プローブからの高品質電子線（湯浅、下井（湯浅）、大場、大島） Fowler-Nordheim公式の改良 □超伝導体からのCooper対の電界放出（湯浅、中里、大場、田崎、Facchi, Fazio, Pascazio）エンタングル電子対の創出 ⇒ 量子情報のリソース高次相関関係の追求１０．量子カオスにおける古典～量子（太田、大場）開いた系の量子化における古典-量子対応のモデル化モデル：Duffing振動子方法：確率的Schreodinger方程式有効プランク定数を変化：古典⇔量子 Lyapunov数の存否 ⇒ 古典～量子のクロスオーバー１０．量子コンピュータへ向けての基礎的研究（太田、三神、吉田、大場） □ 半導体核スピン量子コンピュータ（Kane）アルゴリズムの物理的検証 □ 熱平衡液体状NMR系からのエンタングルメント状態生成とその評価新しい体制 □ 中里弘道教授 □ 安倍博之准教授 □ 湯浅一哉准教授（高等研究所）皆さまのご支援、ご協力を!! 早稲田大学創立１２５周年記念事業募金理工学部創設１００周年記念事業募金 ■団体募金「大場研究室」１９９９年の集まり参加者一同 ■団体募金「並木・大場・中里研究室」ご協力、ありがとうございました。 □多くの卒業生の皆さん、学生のみなさん長年に渡る研究を支えてくださり、ありごとうございます。皆さんの一層の活躍を期待します。 □物理学教室、応用物理学教室スタッフの皆様 □理工学部の関係者の皆様長い間のご支援、ご協力、ありがとうございました。理工アカデミアのさらなる発展を期待します。