いよいよ始まったLHC実験

山崎祐司（神戸大）
第１講：現代の素粒子物理概観(1)
 第２講：現代の素粒子物理概観(2) ，LHC 実験
 第３講：陽子衝突実験の原理，加速器
 第４講：粒子の物質中でのふるまい
 第５講：位置検出器とカロリメータ
 第６講（セミナー）：いよいよ始まった LHC 実験

 第１講の内容と重複＋実験の現状報告


第７講：トリガーとデータ取得
第８講：Higgs 粒子の探索法
 これまで学んだことの応用
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

高エネルギー実験で理解したい未知の問題
 力の統一
 粒子の質量の起源と Higgs 粒子
 宇宙の成分としての素粒子
▪ 暗黒物質と超対称性，ダークエネルギー
 Extra-dimension （この世は何次元？）
3

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）→
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？
原子
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

たとえば，
Spring8 で
原子
原子核(陽子,中性子)
5
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
電子
クォーク
6

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
電子
クォーク
7

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
8

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
9

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
時間
力も粒子が伝達
10
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
e
e+
e
e
e+
11

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
12

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
13


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
14
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 =
）
ニュートリノと
top quark の質量差
> 1011 以上
（たぶん > 1014 以上）
15
16

重力は，とても変な力
 エネルギーに比例する
 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
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
 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？
18

電磁相互作用と「弱い力」はすでに統一
 その先は？
19

高校で習うこと
 慣性 F外力 = mia （慣性質量）
 重力 F重力 = mgg （重力質量）

この２つは等しい
 そうでないと，どうなるか？

今日のお話し：
おもに慣性質量のほう
慣性＝重力
慣性≠重力
20

エネルギーと質量は等価 E  mc 2
運動している物体では
E  ( pc) 2  (mc 2 ) 2 p : 運動量
 静止エネルギーを持つ
速度との関係 : pc  (v / c) E
m  0 なら E  pc  v  c
m  0 なら E  pc  v  c

質量のある物質は光速に届かない
質量のない物質は光速でしか走れない
質量は，止まる「能力」
21

相対論では，エネルギーと質量は等価
 光（質量ゼロの粒子）も
エネルギーに比例して重力を受ける
 慣性もエネルギーに比例
▪ 重力レンズ，など

例：束縛状態の質量のない２粒子
 遠くから見ると，質量があるように見える
＝静止エネルギーを持つ
強く束縛されている粒子は，重くなる
22

質量を「追い越しやすさ」として再定義
 質量のない粒子（光）は，決して追い越せない
 同じエネルギーなら，質量が重いほうがゆっくり
 簡単に追い越せる

スピンの進行方向成分は
追い越すと反転
 速度は追い越すと逆向き
スピンは追い越しても同じ向き
自分より早く
進んでいる粒子
追い抜いて
後ろへ去っていく
質量は，スピン反転しやすさの度合い
23

質量がない粒子は
 右巻き／左巻き（カイラリティー）
のどちらかの基底状態だけを持つ
 つまり，粒子によって右・左が
一意に決まる
▪ カイラル対称性と呼ぶ

質量があると
 右巻き／左巻きの基底状態の混合状態
係数は，見ている人の相対速度で変わる
▪ カイラル対称性が
「破れている」という
24

超伝導体内では電子が引き合う（クーパー対）
 スピン逆向きでくっつく
スピン０のボーズ粒子状態（スカラー粒子）
▪ すいすい泳げる
 そこに対でない電子が入り込むと…
▪ クーパー対のポテンシャルに
落ちたりはい上がったりして，
なかなか進まない
▪ スピンの向きも逆転可能
電子は超伝導体内で重くなる
25

クォークも，宇宙が超伝導体なら重くなれる
 クォークにとって一番エネルギーの低い状態
（束縛状態）はクォーク・反クォーク対 (qq )と考える
▪ 宇宙は qq 対（スカラー束縛状態）の海
▪ クォークはトラップされて
動きにくくなる
 ハドロン（クォークの
束縛状態）の質量を生む
qq対（スカラー状態）が質量を生む正体
26


実験的検証，理論的検証が行われてきた
決定打：
クォーク物質のコンピュータ
シミュレーション
 日本第２のスパコンで検証
 「生のクォーク」を相互作用
させると質量が生まれた
 カイラル対称性の破れによる
理論と一致
27

ここまで：スピン½の粒子（フェルミ粒子）に質量を生み出
すしくみを見た

スピン１の力を媒介する粒子（ゲージボゾン）にも重いもの
はある
 弱い相互作用を媒介
する W±, Z0 粒子

どうやって質量を
与えるか？
これだけ
質量なし
あとはみんな
質量あり
28

磁場は，超伝導体内に
侵入できない（マイスナー効果）
 磁場は，電磁相互作用光によって伝えられている
 光が侵入できない＝光子が抵抗力を受けて止まる
＝質量がある

巨視的には
 磁場を打ち消す方向に電流が流れる（レンツの法則）
 普通は電流が止まるが，超伝導なので流れ続ける
ミクロのレベルでは，何が起きているか？
29

強磁性体の例
 隣り合った原子のスピンの向きが揃ったほうが
エネルギーが低くなる物質
 高温では，分子運動によりスピンの
向きはバラバラ
▪ どちらから見ても同じ（対称）
 冷やすと，
ある方向を向く
磁石になる
▪ 対称性が破れた
高温
低温
高温
低温
２次元平面上で，向きが
揃っている度合いを表す量
30

例：強磁性体を伝わるスピン波（マグノン）
 スピンが揃った（対称性が破れた）物質でのみおこる

対称性が破れた場合にのみできる「粒子」
31

もしマグノンの波の伝わる速さが早い
（遠くまで届く）と，スピンはほぼ同時に
協同して揺れる
 遠くまで届く力を「いなす」ことができる
＝力が遠くに伝わらなくなる
 その結果，力の伝達粒子は重くなる
32

「スカラー粒子」を使う  ヒッグスです
 先ほどクーパー対，qq対のところで出てきた
 真空と同じ量子数を持ち，気づかれずに存在

２つのスカラー粒子について
 そのうち１つだけが
低温
高温
大きな「値」を持つとき，
エネルギーが最小だとする
▪ 対称性が破れた状態
 「いなす」粒子（NG ボゾン）
底をぐるぐる回る
33

Higgs スカラー粒子が
 真空中で（内部空間に）一定の値を持ち
対称性を破り
 光に質量を与え（マイスナー効果）
 「もの」＝フェルミ粒子にも質量を与える
（Higgs によるカイラル対称性の破れ）

クォークはさらに質量を獲得
 クォーク対によるカイラル対称性の破れ
34
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
35

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
36

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
37

宇宙全体の振動の「ばね定数」
から宇宙の質量がわかる
 光らない物質の量もわかる
暗黒物質（ダークマター）

宇宙の膨張が加速している
 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
宇
宙
定
数
項
暗黒エネルギー（ダークエネルギー）
宇宙の物質の質量
38


回転速度と重力から
銀河団の温度や衝突から
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
39

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%
▪ 普通の暗い星ではない（重力レンズで見えるはず）
▪ ニュートリノでもない（温度高すぎ）
▪ 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
40
背景輻射
ﾆｭｰﾄﾘﾉ
LHC
背景輻射の向こうは，
人工的に作るか
ニュートリノで見るか
暗黒物質「で」見るか
41

降ってくる暗黒物質をとらえる
 もうすぐ

宇宙背景ニュートリノをとらえる
 宇宙始まりの１秒後まで見えるが…検出器開発中

地上で作ってみよう！
 暗黒物質，暗黒反物質の
新粒子
陽子
対生成なら，
高エネルギー衝突で作れる
クォーク
陽子
新（反）粒子
42

暗黒物質は地球の重力
にもとらえられている
 １リットルに１個くらい

100kg の物体に
ぶつかるのを待つ
XMASS実験＠神岡
間もなく開始
43
クォークと反クォークが衝突
対消滅
高エネルギー状態から重い
超対称粒子が対生成
暗黒物質
超対称粒子が崩壊
クォーク
宇宙初期を再現し，
作ってしまおう！
反クォーク
相互作用
粒子
超対称粒子
反超対称粒子

この世の粒子と性質がそっくりな
「ペア粒子」がある
 反粒子とは，また違う粒子

ふだんは存在に気づかない
45

超対称粒子：同じ性質を持つ，違うスピンの粒子
 スピン０の「もの」（ボーズ粒子）
 スピン ½ の「ちから」（フェルミ粒子）
スピン½
フェルミ粒子
スピン０
ボーズ粒子
スピン１
ボーズ粒子
スピン½
フェルミ粒子
e-
~e-
γ
~0

電子
スカラー電子
光子
ゲージーノ
46
重い電荷のない粒子
重い
~2

~1

~0

一番軽い粒子はこれ以上崩壊できず，安定
もし超対称性が見つかれば，
素粒子・宇宙のみかたが全く変わる
軽い
暗黒物質
47

重力は変な力
 むちゃ弱
 エネルギーに比例
xm
（連続量！）
▪ 普通の力：電荷（とびとびの値）に比例

x m
一般相対論：時空の曲がりとして説明
 一般座標変換＝時空の座標系の再定義
に関する対称性から導かれる
48

V (r )
重力も，超短距離で破綻

プランクスケール：重力が，重力源の質量のもつ
エネルギーと等しくなる距離 or エネルギー
 素粒子がブラックホールに
なったりする
r
m2
G
 mc2
r
おなじ問題は原子核と電子にもあった
古典物理では，電子がまわっていると
放射光を出して原子核に落ちてしまう。
量子力学が，それがないことを保証
放射光
超短距離の重力理論は「量子重力」
49

超対称性ペアは，お互いに化けられる
 スピンと質量以外の性質は同じ
e-
 例：スカラー電子
⇄ 電子 + 中性ゲージーノ

~e-
~0

「超対称性変換」を起こすたび，
一般座標変換が起きる
 量子重力を説明できる？
e-
~e-
e-
p m  pm
50
e-
~e-
e-
p m  pm
３つの力が同じ強さに
（強い力，電磁気，弱い力）
時空のゆがみを引き起こす？
（一般相対論＝重力）
51

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 d
4+d 次元でのプランクスケールを
MF として M 2pl  M F2d 2R d
▪ 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
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 52

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）
53
究極の理論「超ひも理論」を完成させる川合光（理研ニュース）より
http://www.riken.go.jp/r-world/info/release/news/2006/may/index.html
54


素粒子：クォーク，レプトン，力の媒介粒子
だけど，わかっていないことだらけ
 力の統一
 質量起源 (Higgs ?)
 ダークマター
 ダークエネルギー（つまり，重力関係）
 時空の構造（超対称性，ExtraDimension）
 フレーバーの３世代構造
 今の理論体系，そもそも正しい？？

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
55

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