素粒子論（素粒子物理学）入門

素粒子論（素粒子物理学）入門
現代物理学入門
石川健三
1
素粒子論入門（石川）
１．質量について。質量とは？
２．原子論の進展
３．基本粒子と４種の基本相互作用
４．素粒子の質量とその起源（世界最大の実験ＬＨＣ）
５．ニュートリノの質量の発見
６．宇宙を占めるダーク・マター
７.まとめ
2
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。
（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。
(３）多数の物体の質量は、各質量の和である。
3
（１）：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？
4
質量についての問題
１．重力質量と慣性質量は等価か？
２．合成系の質量は、各要素の質量の和である。
３．質量は不変か？
４．質量の起源は何か？
5
１－１：重力質量と慣性質量は等価
か？
• 重力中で自由落下する物体は、いつも平行
に動くか？
• 現代における精度は？
• 人工衛星、惑星ロケット、他
• 時間の進み方は速度により違う
6
２．原子論の進展
(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
7
原子論の進
展
8
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。
9
質量（エネルギー）の換算
陽子質量 m 静止エネルギー
10
３．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、
11
物質と相互作用の場
• 物質は原子（素粒子）から構成されている。
• 物質はいくつかの基本粒子からなり、
相互作用はいくつかの場から生成している。
基本粒子も、基本的な場も共に素粒子である
12
電荷
現代の素粒子
＋２/３|e|
ー１/３|e|
0
ー|e|
13
• 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）
14
素粒子間の基本的な力（相互作用）
• 電磁相互作用
電荷を帯びた物質間の力、電流間の力
• 弱い相互作用
ベータ崩壊の起源、ニュートリノ
• 強い相互作用
クォーク間の力、核子内、中間子内の力
• 重力相互作用
万有引力
15
力（相互作用）の統一
16
基本的な力の場の起源となる素粒子
• 電磁相互作用
光子(photon,)
• 弱い相互作用
弱ボソン(W,Z boson)
• 強い相互作用
グルーオン(gluon)
• 重力相互作用
重力子(graviton)
ゲージ粒子
17
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
18
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
19
クォークレプトンの質量
陽子質量
電子質量
20
４：素粒子の質量の特徴
• 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。
• 同じ粒子が、質量がある場合（相）とない場合（相）がある。
21
素粒子が質量を持つのには理由
がある。
• 磁石
磁石はなぜ磁石になっているか。
磁石を高い温度にすると磁石でなくなる。
電子間の相互作用より、“磁石”が発現
• 同様に、素粒子を超高温にすると質量が消失する（
宇宙初期）。
ヒッグス場の相互作用より、素粒子の“質量”
が発現する。
22
４－２：質量の起源は何か？
• 質量は質量の場（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）。基本粒
子の質量は、ヒッグス場との結合の大きさで
決まる。
• ヒッグス粒子を探す実験（ＬＨＣ実験）
が始まる。
23
LHC実験（CERN)
ジュネーブ空港
24
LHC加速器
8.3Tの強力な超伝導双極磁石
◎世界最高エネルギーであり、
LEP/Tevatronに比べて実質的に
10〜20 倍の重心系のエネルギー
◎LuminosityもLEPの約100倍
（B-factoryと同程度）
豊富な統計量での研究が可能
例えば、Higgs粒子(130GeV)は、
毎時1000事象も生成
25
ヒッグス粒子が発見されるか？
• ２００７年ー２０１０年頃に発見される可能性
が大きい。
26
４－３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、
27
ニュートリノの歴史
•
•
•
•
•
•
ベータ崩壊の発見１８９６ベックレル
ニュートリノ仮説１９３０パウリ
実験的存在証明１９５３－１９５６ライネス、コーエン
空間反転の破れ１９５７リー、ヤン、ウ―
二つのニュートリノ１９６２
ニュートリノ天文学１９８７神岡（小柴他）
• ニュートリノの質量と振動
現在
28
５：ニュートリノの質量の発見
• 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。
29
５－１：ニュートリノ振動
• 質量を持つ複数のニュートリノは相互転換す
る。
30
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。
•
31
ニュートリノの生成反応の例
• 中性子
陽子＋電子＋（反）電子ニュート
リノ（ベータ崩壊）
• パイ中間子ミュー＋ミュウニュートリノ
32
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
33
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
34
太陽ニュートリノ欠損
• 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。
35
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
36
デイビスの実験
37
神岡実験（小柴、戸塚他）
38
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。
39
ニュートリノを筑波で生成し神岡（富
山）で観測する
40
６．宇宙のダーク・マター
• 宇宙は、通常の物質（陽子、電子等）より多く
のダーク・マターでできている。
• 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。
41
６－１：銀河とダークマター
42
見えない質量（ダークマター）
•
ｘ星の運動
43
ダーク・マターによる重力レンズ
44
45
WMAP 宇宙背景輻射の温度分布
高温度
低温度
宇宙を占める３Ｋの背
景輻射の全天写真
46
ダークマター
• 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。
47
現代の素粒子
48
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。今年か来年、実験で見つかる？
• なぜ、ニュートリノの質量が特異なのか？そ
の絶対値は？
• 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？
49

Download Report