e - 東海大学理学部物理学科

素粒子
東海大学理学部物理学科
安江正樹
素粒子物理学専攻
1
素粒子へ
酸素原子
水分子（＝水素原子＋酸素原子）
酸素原子（＝原子核＋電子）
原子核
光
スピン
1
2
スピン1
原子核（＝陽子＋中性子：核子という）
核子
核子（＝３つのクォーク）
クォーク
クォーク
スピン
1
2
2
2008
小林誠・益川敏英
スピン１／２
素粒子の分類
1976
スピン１
フェルミ粒子
ゲージ粒子
2004
3つ子
グロス
ポリツァー
ウィルチェック
2008
1995
南部陽一郎
2002
1984
小柴昌俊
1979
スピン０
スカラー粒子
201X
グラショー
サラム
ワインバーグ
3
素粒子の質量・電荷・スピン
( e)
スカラー粒子
125
4
クオークから複合粒子へ
1
x = スピン
2
Þ q ( quark :クォーク)
q
_
q



†
x sx = スピン1
qq
Þ
†
x x = スピン0
J z = 0あり
1
J z =± あり
2



3
xxx = スピン
2 Þ qqq
1
= スピン
2
= q*
_
q q
中間子
q
q q
_
q
_ _
q q
重粒子反重粒子
5
陽子・中性子・湯川中間子
奇妙な事に・・・
1
qqq = スピン
2
1969
中性子
陽子
s -クォーク = 0個
シグマ+
シグマ0
シグマ+
ゲルマン
s -クォーク = 1個
坂田昌一（1955）
山口義夫(1959)
ゲルマン・ツヴァイグ(1964)
ラムダ0
グザイグザイ0
s -クォーク = 2個
奇妙な(strange)
八道説(ゲルマン・ネーマン: 1961)
6
素粒子の崩壊による消滅（寿命）
金原子とほぼ同じ質量
170000 MeV
5000
b ® c +n e + e-
t ® b +n e + e+
1500
200
c ® s +n e + e+
不安定
s ® u +n e + e-
10
d ® u +n e + e-
安定
5
クォークの閉じこめる強い力
３つ子＝３色（Red,Green,Blue
３つ子＝３色（Red,Green,Blue））
中間子
_
q
q
_
q q
擬似バネ力の源
擬似バネ力
_
q
q
_
q
q
赤＋赤の補色＝白
３色だから
q
q q
q
q
q
q
q
q
重粒子
３色均一＝白
人間には白色しか観測できない
放射能
d
u
+ e- +

_
β崩壊
ne
放射線 ( b 線 )
d
d
u
u
中性子
d
u
+
e-
+
_
ne
陽子
セシウム137
セシウム
137
陽子：５５個
中性子：８２個
バリウム137
バリウム
137
陽子：５６個
中性子：８１個
+
e-
+
_
ne
ベータ崩壊とスピン１粒子
d
u
+
e-
+
_
β崩壊
ne
±
dクォークを壊す力は？ W - ボゾン放出力
スピン１粒子＝力の源
スピン１粒子＝ゲージ粒子
クォークを結合する力
水素原子を作る力
ベータ崩壊させる力
色の交換をする
クーロン力
=
電子・陽電子消滅と粒子・反粒子生成
e
-
ミニ宇宙
c ( charm )
グルーオン
e
+
ほとんど光子
c
J/ψ中間子
J/ψ中間子
クォークは単体では観測されていない
（クォークの複合粒子内閉じ込め）
12
陽電子：e+
電子：e-
陽電子：e+
電子・陽電子衝突型加速器
13
検出器（@KEK
検出器（
@KEK つくば市）
ì高さ＝約10m
八角形:約1300トン í
î幅＝約8m
14
検出例
e
-
c ( charm )
c
e
+
c
_
c
J (y ) 中間子
15
生成される粒子・反粒子
u, d , s, c, b,W -
e-
供給エネルギー
³ 粒子・反粒子の静止エネルギー
e+
u , d , s , c , b ,W +
= mc 2 + mc 2 = 2mc 2
e-
供給エネルギー
Z 0 ( 反粒子がない)
e+
u
d
s
c
³ Z粒子の静止エネルギー
= mZ c 2
b
W±
Z0
t
mc 2
0.005 0.01 0.2 1.5
5
81
92 170
2mc 2
0.010 0.02 0.4
10
162
- 340
3
(GeV: Giga eV
eV））
＝１０９eV
３つ子のクォークの痕跡
e-
u, d , s ( = q ) ü
e+
ï
ï =y
ý
ï
ï
u , d , s (= q ) þ
e-
m-
Qe
Qe
e
+
Qu ,d , s
Qm
m+
ì
ïQe = -e
ï
2
2
2 2
2 2
2 2 ï
y µ Qe Qu +Qe Qd +Qe Qs íQu = e ´ 3 ( つ子)
3
ï
1
ï
Q
=
e
d
,
s
ïî
3
ü
ï
ï =y
2
y µ Qe2Qm2
ý
ï
ïþ
5
ìQe = -e
í
îQm = -e 10
200
105
Qe2Qu2 +Qe2Qd2 +Qe2Qs2 ) ´ 3 æ æ 2 ö2 æ 1 ö2 æ 1 ö2 ö
e + e- ® qq
(
6
=
+
+
´
3
=
çç ç ÷ ç
=3 =2
÷ ç
÷ ÷÷
2 2
e+ e- ® m + m 3
3
3
Qe Qm
9
ø è
ø ø
èè ø è
３つ子のクォークの観測
3.7
3.3
2
+ -
e e ® qq
e+ e- ® m + m -
Q Q +Q Q +Q Q ) ´ 3
(
=
2
e
2
u
2
e
2
d
2
e
2
e
2
Q Qm
2
s
=2
未知のクォーク発見
Qe2Qu2 +Qe2Qd2 +Qe2Qs2 ) ´ 3
(
e+ e - ® qq
=
=2
2 2
+ + e e ®m m
Qe Qm
ì 3.3
ï
次の値 = í
ï 3.7
î
5
1500
10
200
5000
4
3

2
2 2
2 2
2 2
2 2
+ Q
Q
+
Q
Q
+
Q
Q
+Q
+
Q
Q
´
3
2
1
æ ö
(
e e ® qq
e u
e d
e s
e c )
+
3
=
3
= 3.33
=
=2 ç ÷
+ + 2 2
3
è3ø
e e ®m m
Qe Qm
1
3



2
Q Q +Q Q +Q Q +Q Q +Q Q ) ´ 3
(
e+ e - ® qq
1
1ö
2
æ
=
=
3
+
3
=
3
= 3.67
ç ÷
e+ e- ® m + m Qe2Qm2
3
3
è 3ø
2
e
2
u
2
e
2
d
2
e
2
s
2
e
2
c
2
e
2
b
5種類のクォークの観測
5
供給エネルギー
1500
³ 粒子・反粒子の静止エネルギー
= mc 2 + mc 2 = 2mc 2
mc2=MeV=1/1000GeV
10
1968
200
5000
1974
1.500×2
2
1/1000
1977
5.000×2
GeV
世界の高エネルギー衝突型加速器
21
６番目のクォーク（tt）とスピン１粒子
６番目のクォーク（
t→W+b：t-クォークの
クォークのW
W+放出
t-クオークの観測
ニュートリノは中性
ニュートリノは中性
観測にかからず
観測にかからず
nm
nm
m
W
-
b
+
t t
W
-
m+
b
b
b
b -クォークが芯になって
b -クォークが芯になって
ジェット気流 ( jet )を噴出
ジェット気流 ( jet )を噴出
4つの高速粒子（
つの高速粒子（2jets+μ
2jets+μｰ+μ+）の軌跡
23
陽子・反陽子衝突型加速器（
陽子・反陽子衝突型加速器（@FNAL)
@FNAL)
24
実際の観測イベント（
実際の観測イベント（ATLAS
ATLAS＠
＠LHC)
2010年
2010年8月のデータ
m-
m+
b
b
m- m+
25
t-クォークの質量の再構成（
クォークの質量の再構成（ATLAS)
ATLAS)
金原子とほぼ同じ質量
175 ( GeV )
ìW + - ボゾン
のエネルギー：DE ´ Dt  
不確定性原理 í
îb - クォーク
26
ヒッグス粒子生成マシン：
ヒッグス粒子生成マシン：LHC
LHC
Large Hadron Collider 大型重粒子衝突型加速器
１周２７ｋｍ
山手線：１周３５ｋｍ
27
ヒッグス粒子の観測
m
higgs
+
m-
Z
0
m+
Z0
m-
4つの
つの高速粒子
高速粒子（（μｰ+μ++μｰ+μ+）の軌跡
28
実際の観測イベント（
実際の観測イベント（ATLAS
ATLAS＠
＠LHC)
2012年
2012年7月のデータ
m-
higgs
m+
m-
m+
Z0
Z0
m+
m
-
m
+
m29
ヒッグス粒子の発見
ヒッグス
粒子の発見
(2012夏候補, 2013夏確定)
92 ( GeV ) 125 ( GeV )
30

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