神戸大学理学部 物理学科 出前授業 @ 龍野高校 2009/07/015 准教授 山崎祐司（神戸大） この世（宇宙）は何でできているか？ どんな種類の物質？ その間に働く力は？ 宇宙はどのようにできたのか？ 宇宙の「成分」は？ これからどうなっていくのか？ どこまでわかっているか，何がわからないか 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 2 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？ 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 原子核(陽子,中性子) 3 光の波長：0.4– 0.8 μm （1 μm = 1/1000 mm） インフルエンザウィルス：0.1 μm 波の波長がぶつかるものより短いと影響を受ける 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 4 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 5 波が短いほどエネルギーが高くなる E h hc / h : プランク定数 c : 光速 : 振動数 : 波長 電子顕微鏡は電子ビームの「波」 可視光の 1000 倍以上のエネルギー もっと細かい構造を見るには… もっと高いエネルギーのビームをぶつければよい 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 6 ←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) 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 7 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 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 電子 クォーク 8 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 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 電子 クォーク 9 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 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 10 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 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 11 どうやって力を伝える？ 手をつなぐ ひもで引く：ひもが力を伝える 磁石：あいだに「もの」がなくても力は伝わる ものがなくても遠くまで力が伝わる 例：万有引力 ▪ 重力は地球と接触していなくても伝わる ▪ 地球が太陽のまわりを自転しているのは， その間に引力が働いているから ひもで引っ張っているようにぐるぐる回る 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 地球 太陽 引力 （重力） 12 接触しないで伝わる力 重力 磁石 静電気，などなど… 荷電粒子の場合 正電荷から，「電場」が出ている 負電荷は，電場から力を受け， 引き寄せられる 力は，場を通して伝わる。場は，誰が伝える？ 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 13 電磁波と同じもと 電磁波は，変化する磁場と 電場が波のように伝わるもの 電磁波は… 波長により名前が変わる 光も電磁波の一種 場は，光（と同じようなもの） が伝えている！ 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 14 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 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 時間 力も粒子が伝達！ 15 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 粒子・反粒子の対を，高エネルギー状態から生成 e e 2009/7/15 e e 神戸大理・物理 出前授業 e+ e e e+ 16 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 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 17 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 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 18 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 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 19 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 = 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 ） 20 ？ 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 21 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 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 21 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 他の粒子はないのか？ → 宇宙に聞いてみよう 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 23 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 24 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 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 25 すばる望遠鏡（ハワイ） 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 ハッブル望遠鏡 26 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 27 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 28 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 かなり遠くまで来たが… 29 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 2009/7/15 WMAP衛星 (アメリカ) 2003年の結果 神戸大理・物理 出前授業 30 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） 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 宇宙の物質の質量 31 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 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 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 32 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 新粒子 陽子 クォーク 陽子 新（反）粒子 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 33 1) LHC: Large Hadron Collider 2) CERN: 欧州原子核研究所 質量のみなもと「ヒッグス粒子」と 現在の理論を超える新しい粒子・相互作用の発見が目的 世界最大， 最高エネルギー の加速器 モンブラン ジュネーブ市街 レマン湖 スイス 周長27km CERN 7TeV = 7 兆電子ボルト （TeV = 10¹² eV） 陽子同士の衝突 重心系エネルギー14 TeV 米Tevatron の7倍 1秒に4000万回衝突 フランス 建設期間 14 年 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 34 超伝導磁石 決まった半径でできるだけ 高いエネルギーに達するには 磁場を強くするしかない 8.33T, 1232 台の 双極磁石 曲率半径 2.8km 超流動ヘリウム冷却 1.9K 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 35 衝突点でビームを16μm まで絞るレンズの役割 磁場勾配= 215 T/m (ピーク磁場8.4 T) 長さ= 6.37 m 口径 = 70 mm 磁場勾配の精度(制御) ： 10⁻⁴ (10⁻⁵) 台数：16 台(KEK) + 16台(Fermilab) 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 日(KEK: 高エネルギー加速器研究機構) 米 (Fermilab) 国際協力 36 高さ25m 全長44m 重量 7000t 総工費約550億 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 37 検出器中央部分を搬入する前のATLAS実験。 ８つの空芯トロイドのコイル（前後に走っている） 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 38 衝突事象の例 （シミュレーション） 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 39 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 40 ミューオン：物質を貫通 させた後，磁場で曲げる ハドロン粒子 （核子，中間子：クォー クでできている） 厚い物質で止める 電磁相互作用をする 粒子（電子，光子） 止めてシャワーを起こ し，物質中に落とした エネルギーを測る 荷電粒子： 磁場で曲げて運動量を測る 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 ニュートリノ， 暗黒物質： 見えない！ （中性，弱い 相互作用のみ） 運動量保存 から推測 41 H Z⁰ Z⁰ e⁺e⁻m⁺m⁻ ミューオン：赤線 電子：青 反跳ジェット：青，橙 ミューオンの運動量が 高く，ほとんどまっす ぐ飛ぶ → 強い磁場中を長い距 離とばす必要あり 大きな検出器になる 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 42 検出器を開発する 実験の目的に合うように プロトタイプ作り，ビームを用いた性能評価 検出器を作る，検査する データを取得する装置を作る エレクトロニクス，コンピュータ，ネットワーク技術 データを解析する 検出器の較正 散乱事象の再構成 測定誤差の見積もり 論文作成 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 小さな実験で2-3年 大きな実験では10年近く 43 ATLAS 実験に参加，約100名 全体2200名 (5% ) シリコン検出器 ミューオン トリガー 検出器 神戸大は 3 番目に大きい 博士以上 11, 修士 5 検出器建設担当 ミューオントリガー検出器 （KEK，東京大，神戸大， 信州大，首都大，名古屋大など） シリコン飛跡検出器（KEK， 筑波大，岡山大，阪大など） 超伝導中央ソレノイド（KEKなど） 第２段ミューオントリガー (KEK, 神戸など) 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 超伝導中央 ソレノイド 44 ←日本で設計・製造された超伝導 ソレノイドの組み込み（2004年2月） 6.4cm シリコンマイクロストリップ 検出器の１モジュール 日本・英・米などで製造された 2112台のシリコン検出器は， オックスフォード大で円筒状に 組み上げられた。自動マウント ロボットはKEKで設計されたも の（2005年1月）。 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 45 端部ミューオントリガーシステムを 日本・イスラエルが建設 KEKで1200台を製 造 32万チャンネルの 電子回路の設計・ 製造・検査 （ファームウエア 開発，コントロー ルソフトウェア） 神戸大での宇宙線 を使った全数検査 2009/7/15 CERNでのセクター 組立と回路据付 神戸大理・物理 出前授業 地下実験場のアトラス 測定器へ組み込み 46 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 47 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 48 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 49 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 50 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 51 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 52 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 53 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 54 大人数での研究で，組織だって行う 役割分担は果たさないといけないが… 最初は「埋もれる」が，うまくいくようになると たくさんの人から認めてもらえる 世界の人と交流できる いろんな国のお国柄がわかる（いいことも，悪いことも） いろんな国の文化がわかる（同上） いろんな国に出張したりする 物理の教科書の内容を変えられるかも知れない 新しい粒子，相互作用の発見 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 55 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） 2009/7/15 神戸大理・物理 出前授業 56
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