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1 宇宙背景放射と超高エネルギー物理 羽澄昌史 (KEK) 東北大学大学院理学研究科 集中講義素粒子 原子核物理学特別講義 Ⅴ( 修 ) 素粒子物理学特殊講義 Ⅳ ( 博 ) 2009 年 12 月 16 日 18 日 2009/12/16-18 東北大学集中講義 1

2 自己紹介 主な研究テーマ 1993 年以前電子 陽子衝突実験 ZEUS( ドイツ ) 1994 年 K 中間子稀崩壊実験 KTeV 年 B ファクトリー実験 Belle シリコンバーテックス検出器 年 Belle 実験で CP 対称性の破れ発見 年 Belle 実験で標準理論を越えた物理の探索スーパー B ファクトリーの物理研究 2008 年以降宇宙背景放射偏光観測による超高エネルギー物理 2009/12/16-18 東北大学集中講義 2

3 目的と概要 宇宙背景放射はビッグバンの証拠であるとともに インフレーション宇宙仮説を検証する最も強力な手段である この授業では 宇宙背景放射の偏光測定を中心に 今後 10 年の実験 観測を理解することを目標とする また それらの実験 観測を通して 超弦理論に代表される超高エネルギー物理を検証する可能性についても説明する 2009/12/16-18 東北大学集中講義 3

4 これだけは知ってほしい こと 原始重力波 CMB 偏光度マップ CMB polarization B-mode or curl component 宇宙誕生後およそ 10 のマイナス 36 乗秒 宇宙誕生後 38 万年 時空の量子ゆらぎ 2009/12/16-18 東北大学集中講義 4

5 集中講義の対象 1. 素粒子実験の修士課程大学院生 2. 素粒子実験の博士課程大学院生 3. 天文分野の修士課程大学院生 4. 天文分野の博士課程大学院生 5. 素粒子理論の大学院生 6. 素粒子 天文分野の学部学生 最適 いずれのカテゴリでも ためになる内容をめざす 2009/12/16-18 東北大学集中講義 5

6 講義計画 1. ビッグバンの前を探る ( 講演会スライド ) 2. 素粒子標準理論とその限界 3. ビッグバン理論とそれを支える観測 4. 標準宇宙モデル (LCDM) 5. 宇宙の初期条件とインフレーション仮説 6. CMBの揺らぎ 7. CMB 観測装置 8. 日本グループのCMB 偏光観測 9. CMB 観測と量子重力 ( 超弦理論など ) 10. CMB 観測とParticle Physics( ニュートリノ質量など ) CMB:Cosmic Microwave Background ( 宇宙マイクロ波背景放射 ) 2009/12/16-18 東北大学集中講義 6

7 1~4 5~7 8~ /12/16-18 東北大学集中講義 7

8 前提とする知識 電磁気学 特殊相対論 熱力学 平衡系統計力学 量子力学 素粒子物理実験の入門的知識 上記に必須の物理数学 一言でいえば 素粒子実験を志す学生が大学 4 年終了時までに修得すべき物理 ただし 重要事項については 必要に応じ 原理の解説 を行う予定 2009/12/16-18 東北大学集中講義 8

9 前提としない知識 光の量子論 場の理論 素粒子標準理論 天文観測の基礎知識 一般相対論 宇宙論 フーリエ解析 (!) 宇宙観測装置技術 ( 電波受信機 低温技術 など ) 2009/12/16-18 東北大学集中講義 9

10 参考文献 全般 : Review of Particle Properties ( 宇宙論 須藤靖 一般相対論入門 日本評論社 松原隆彦 宇宙論 佐藤勝彦 二間瀬敏史 [ 編 ] 宇宙論 I 日本評論社 二間瀬敏史 池内了 千葉柾司 [ 編 ] 宇宙論 II 日本評論社 Scott Dodelson Modern Cosmology, Academic Press Legacy Archive for Microwave Background Data Analysis (LAMBDA) 素粒子物理 戸塚洋二 素粒子物理 岩波書店 長島順清 素粒子物理学の基礎 (1) (2) 朝倉書店 長島順清 素粒子標準理論と実験的基礎 朝倉書店 長島順清 高エネルギー物理学の発展 朝倉書店 場の理論 : F. Mandl and G. Shaw Quantum Field Theory, Wiley 応用数学 : 金谷健一 これなら分かる応用数学教室 共立出版 実験技術 : T. L. Wilson, K. Rohlfs and S. Huettemister Tools of Radio Astronomy 5 th edition, Sprinter 2009/12/16-18 東北大学集中講義 10

11 参考文献 ( 理論専攻向け ) S. Weinberg Cosmology, Oxford S. Weinberg The Quantum Theory of Fields, Cambridge 2009/12/16-18 東北大学集中講義 11

12 基礎の復習に適した参考書 電磁気学 特殊相対論 ランダウ リフシッツ 場の古典論 熱力学 平衡系統計力学 田崎晴明 熱力学 現代的な視点から 培風館 田崎晴明 統計力学(1) (2) 培風館 量子力学 F. Mandl Quantum Mechanics, Wiley 素粒子物理実験の入門的知識 R. Cahn and G. Goldhaber The Experimental Foundations of Particle Physics 2009/12/16-18 東北大学集中講義 12

13 講義の基本姿勢 実験屋 * の視点で講義します 詳細より こころ を伝えたい * 観測屋 との違い 実験屋 : 目的にあった装置を作って実験 観測をおこない 論文を書く観測屋 : 既存の装置 ( 天文台など ) を用いて観測し 論文を書く 2009/12/16-18 東北大学集中講義 13

14 講義の進め方 スライドと板書を併用する 以下の情報は必要に応じて配布する グラフ 写真等 板書に不向きな情報 重要な原理とその こころ 研究のやり方に関するヒント 各節における 板書のゴール ( 導きたい方程式など ) 配布資料は あくまで材料 板書と合わせて はじめて完成した講義資料となる 2009/12/16-18 東北大学集中講義 14

15 1. ビッグバンの前を探る ( 講演会スライド ) 2009/12/16-18 東北大学集中講義 15

16 2. 素粒子標準理論とその限界 この章では 素粒子標準理論について 何が原理で何が ( しばしば原理とよばれているにもかかわらず ) 原理から導出される法則かを明らかにしています 沢山数式が書いてありますが 心配しなくてよいです 本集中講義の主題ではないので 大事なところだけ かいつまんで説明します 2009/12/16-18 東北大学集中講義 16

17 現時点の基礎法則 素粒子の標準理論 Point-like で Identical な素粒子 最小作用の原理 ポアンカレ変換対称性 ( 相対性原理を含む ) 量子原理 L 0 + L I グローバルゲージ対称性 自発的対称性の破れ ローカルゲージ対称性 エネルギー保存則運動量保存則角運動量保存則 Bose-Einstein 統計 Fermi-Dirac 統計 Microcausality 電荷の保存則 繰り込み可能性 Normal Product 無限大を取り除く 重力を除く 三種の基本相互作用 ( 強 電 弱 ) を同じ原理で記述 2009/12/16-18 東北大学集中講義 17

18 電磁相互作用の原理 2009/12/16-18 東北大学集中講義 18

19 2009/12/16-18 東北大学集中講義 19

20 2009/12/16-18 東北大学集中講義 20

21 2009/12/16-18 東北大学集中講義 21

22 2009/12/16-18 東北大学集中講義 22

23 2009/12/16-18 東北大学集中講義 23

24 2009/12/16-18 東北大学集中講義 24

25 2009/12/16-18 東北大学集中講義 25

26 2009/12/16-18 東北大学集中講義 26

27 2009/12/16-18 東北大学集中講義 27

28 2009/12/16-18 東北大学集中講義 28

29 2009/12/16-18 東北大学集中講義 29

30 2009/12/16-18 東北大学集中講義 30

31 2009/12/16-18 東北大学集中講義 31

32 2009/12/16-18 東北大学集中講義 32

33 2009/12/16-18 東北大学集中講義 33

34 2009/12/16-18 東北大学集中講義 34

35 2009/12/16-18 東北大学集中講義 35

36 2009/12/16-18 東北大学集中講義 36

37 粒子の Identity ラベルのつけかえによって 測定結果は変わらない ハミルトニアン H(1,2) = H(2,1) H(1,2) (1,2) = E (1,2) H(1,2) (2,1) = E (2,1) 交換対称 (1,2) (2,1) 2009/12/16-18 東北大学集中講義 37

38 2009/12/16-18 東北大学集中講義 38

39 2009/12/16-18 東北大学集中講義 39

40 2009/12/16-18 東北大学集中講義 40

41 2009/12/16-18 東北大学集中講義 41

42 くりこみのおはなし 2009/12/16-18 東北大学集中講義 42

43 Super-renormalizable くりこみ可能性 Coupling constant has positive mass dimension Renormalizable Coupling constant is dimensionless. Non-renormalizable Coupling constant has negative mass dimension. Beyond the SM 2009/12/16-18 東北大学集中講義 43

44 量子電磁力学 (QED) とノーベル賞 2009/12/16-18 東北大学集中講義 44

45 1-2. 電弱相互作用の原理 2009/12/16-18 東北大学集中講義 45

46 2009/12/16-18 東北大学集中講義 46

47 2009/12/16-18 東北大学集中講義 47

48 自発的対称性の破れ 2009/12/16-18 東北大学集中講義 48

49 電子にも SSB で質量を与える これがくりこみ可能な唯一の項 2009/12/16-18 東北大学集中講義 49

50 Spontaneous Symmetry Breking (SSB) (1 世代のみの場合 ) SSB 2009/12/16-18 東北大学集中講義 50

51 Yukawa term with 3 generations ゲージ不変でくりこみ可能な相互作用は全て使われていてかまわない j k( 世代の違う素粒子の結合 ) が許される! Yukawa interactionのcoupling constantsは理論の基本パラメータ 測定されるものは 素粒子の質量と混合パラメータ CKM 行列 ( キャビボ 小林 益川行列 ) 2009/12/16-18 東北大学集中講義 51

52 Yukawa term with 3 generations SSB d, u, l は weak eigenstate mass eigenstate (d, u, l) に変換 2009/12/16-18 東北大学集中講義 52

53 など S d, S u, S l はユニタリ行列 中性カレント : なので flavor-changing neutral current (FCNC) はない = GIM mechanism 2009/12/16-18 東北大学集中講義 53

54 Charged current Vij : Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrix (CKM 行列 ) 2009/12/16-18 東北大学集中講義 54

55 CKM 行列の自由度 世代数を n とする n 行 n 列のユニタリ行列の自由度は n 2 観測量に関係ない位相パラメータはクォークの位相に吸収できる 2n-1 個の位相 ゆえに自由度は n 2 (2n-1) = (n-1) 2 n = 1 自由度 0 (no mixing) n = 2 自由度 1 (Cabibbo angle) n = 3 自由度 4 (3 rotation angles and one phase) CP の破れ 小林益川位相 2009/12/16-18 東北大学集中講義 55

56 CKM 行列の parameterization exact な式 (i,j=1,2,3) ~ ~ ~ ~ ~ ~ 謎の階層構造 ~ ~ ~ ( 位相は無視 ) 2009/12/16-18 東北大学集中講義 56

57 電弱相互作用とノーベル賞 ここには含めていないが勿論クォークの発見に関わる受賞も他にあり そしてもちろん 2009/12/16-18 東北大学集中講義 57

58 電弱相互作用とノーベル賞 ここには含めていないが勿論クォークの発見に関わる受賞も他にあり 2009/12/16-18 東北大学集中講義 58

59 素粒子標準理論の基本パラメータ 電弱相互作用 (3) a, G F, M Z 強い相互作用 (1) a s ヒッグス (H 0 ) の質量 (1) M H クォークの質量 (6) (u,d), (c,s), (t,b) クォークの混合行列 (4) CKM matrix レプトンの質量 (6) (n e, e), (n m, m), (n t, t) ニュートリノ混合行列 (4) MNS matrix 注 ) この講義では ニュートリノの質量 0 を標準理論と呼ぶニュートリノの本質がわからないので MNS matrix については暫定 2009/12/16-18 東北大学集中講義 59

60 素粒子標準理論の問題点 ヒッグス機構が実験的に未確認 3つの相互作用が統一されていない 重力はその枠に入っていない 重要な保存則 ( とその破れ ) の背後に原理 ( 的対称性 ) がない バリオン数 (B) 保存 レプトン数 (L) 保存 CP 非保存 以下の根本的な疑問が残っている ( 湯川項が汚い!) 何故クォークやレプトンの種類 ( フレーバー ) が3 世代 12 種類あるのか? 何故それらは異なる質量を持つのか? 何故それらは異なる世代で混合し 特徴のあるパターンを示すのか? 宇宙観測の結果を素粒子物理で説明できない 宇宙のバリオン数 暗黒物質 暗黒エネルギー インフレーション 標準理論を越えた新しい物理の存在は 100% 確実 2009/12/16-18 東北大学集中講義 60

61 スジのよい 研究テーマを選ぶには? 原理 ( 仮設 ) のおおくは対称性の概念をつかって説明できる 例 ) 相対性原理 Lorentz 変換に関する対称性 逆に 深遠な対称性は 最終法則に使われている可能性が高い 理論屋の目のつけどころ 例 ) 超対称性 ( 時空の対称性 ) 深遠な保存則は 背後に原理 ( 仮設 ) としての対称性を持つ 例 ) 電荷の保存の背後にゲージ対称性 逆に 背後に対称性を持たない保存則は 破れている可能性が高い 実験屋の目のつけどころ 例 )CP の破れ 背後に対称性があっても それが偶然の産物なら 標準模型を越えたら その保存則は破れている可能性あり 例 ) バリオン数 宇宙観測では 未知の量子重力理論の効果が期待できるので 深遠な保存則ですら破れが観測されるかもしれない 実験屋の目のつけどころ 例 ) 重力パリティの破れ CPT の破れ 2009/12/16-18 東北大学集中講義 61

62 3. ビッグバン理論と それを支える観測 2009/12/16-18 東北大学集中講義 62

63 相対論の概念構成 特殊相対論 指導原理 1 特殊相対性原理 : すべての慣性系で物理法則は同じ 指導原理 2 光速度不変の原理 : 光速度はすべての慣性系で不変 一般相対論 座標系慣性系一般座標系 須藤靖 一般相対論入門 より 一般相対性原理 : すべての座標系で物理法則は同じ 等価原理 : 重力を受けている系と加速度系は局所的には区別できない 座標変換ローレンツ変換 ( 大局的 ) 一般座標変換 ( 局所的 ) 時空ミンコフスキー時空リーマン時空 物理法則の表現ローレンツ変換にしたがうテンソル一般座標変換に従うテンソル 重力 独立した力として扱う 幾何学的に自然に取り込まれる ( 重力はあらわには登場しない ) 微分偏微分 : 共変微分 : 2009/12/16-18 東北大学集中講義 63

64 一般相対性原理 須藤靖 一般相対論入門 より 全ての座標系で ( すなわち一般座標変換に対して ) 物理法則は同じ 一般座標変換とは 二つの異なる世界展の間の変換ではなく 同一の世界点を単に異なる座標系で表示したことを示すものに過ぎない 同じ点を首をかしげて見るようなもの 物理量は 本来座標系などという人為的なものとは無関係に存在するはずである という信念 ベクトルやテンソルで表される物理量はあくまで不変であるが それを成分で表示した場合には 基底ベクトルの選び方に対応して ベクトルの成分は変化する これは ベクトルが座標系に応じて変化するのではなく むしろ不変であることの帰結である 2009/12/16-18 東北大学集中講義 64

65 等価原理 慣性質量と重力質量は等しい 任意の点で 重力は消せる 局所慣性系を導入できる 局所慣性系で空間を埋め尽くして 重力をケスと 重力はどこにもないように見える そのかわり 空間が曲がっていることになる 重力は存在しない ただ 空間が曲がっているだけ! 2009/12/16-18 東北大学集中講義 65

66 測地線原理 ニュートン第一法則の自然な拡張 重力以外の力が働かない場合 質点は まっすぐ 進む すなわち 曲がった空間の測地線 (geodesic) を進む 一般相対性原理 等価原理だけでは 物理法則は決まらない 測地線原理は ニュートン力学を内包する物理法則を作るための原理 ( 一種の対応原理 ) 2009/12/16-18 東北大学集中講義 66

67 アインシュタイン方程式 * 時空の曲がり具合 物質のエネルギー運動量 アインシュタインテンソル計量 (g mu ) 計量の 1 回時空微分 計量の 2 回時空微分の関数 g mn が場に見えてくる感覚が大事 エネルギー運動量テンソル * 宇宙項については後述 2009/12/16-18 東北大学集中講義 67

68 課題 1 一般相対論の効果を検証した実験をひとつ選んで 説明せよ ひとりごと GPS の相対論補正について 誰かちゃんと調べてくれるとうれしいな 2009/12/16-18 東北大学集中講義 68

69 GPS GPS 衛星上の時計は地上の時計より早く進む (1 日当たり 28.6 マイクロ秒 ) このズレを 1 日ほっておくだけで GPS に 11km もの誤差が出ることになる 2009/12/16-18 東北大学集中講義 69

70 宇宙原理 宇宙原理 宇宙のいかなる場所も特殊な位置ではない 宇宙は一様 等方 ロバートソン ウォーカー計量 a(t): スケールファクター K: 空間曲率 ( 平らな空間では K=0) 2009/12/16-18 東北大学集中講義 70

71 宇宙論的赤方偏移 Hubble diagram Hubble constant H 0 H 0 = 72±8 km/s/mpc from HST W. L. Freedman et al., Astrophys. J. 553:47-72, 2001 (astro-ph/ ) 2009/12/16-18 東北大学集中講義 71

72 距離の単位 天文単位 :AU = 1.50 x cm 地球と太陽の間の距離 ( 光で 500 秒ぐらい ) 光年 : 1ly = 9.46 x cm パーセク : pc = 3.09 x cm ~ 3 光年 1AUが1 秒角を張る距離 プロキシマケンタウリ ( 太陽に最も近い恒星 ) まで約 1pc. 銀河中心まで 約 10kpc アンドロメダ銀河まで約 1Mpc おとめ座銀河団まで 約 10Mpc 2009/12/16-18 東北大学集中講義 72

73 膨張宇宙の こころ アニメーション 固有座標 物理的距離は常に一定 ( 光速不変 ) 共同座標 座標点に 静止 している銀河間の物理的距離は変わっていく 2009/12/16-18 東北大学集中講義 73

74 Big Bang Nucleosynthesis (BBN) p+n D D D p n p e 3 H p p n 3 He D 2p n 4 He a 3 H p 7 Li e n e 3 He n 3 He n p 7 Be 合成反応 重水素 : Q D =2.22 MeV ) T D ' 74keV' K ヘリウム :Q He =27.25 MeV ) T He ' 300 kev 重い元素生成の障害 A=5,8 に安定な原子核が存在しない D 2009/12/16-18 東北大学集中講義 74

75 BBN time evolution Burles S, Nottett KM, Turner MS: astro-ph/ /12/16-18 東北大学集中講義 75

76 Big Bang Nucleosynthesis (BBN) PDG /12/16-18 東北大学集中講義 76

77 宇宙の晴れ上がり 2009/12/16-18 東北大学集中講義 77

78 CMB 160GHz 完全なる黒体放射! ( プランク分布 ) K (1999) COBE ビッグバン宇宙論の予想に一致 2009/12/16-18 東北大学集中講義 78

79 4. 標準宇宙モデル (LCDM) 2009/12/16-18 東北大学集中講義 79

80 LCDM 概要 宇宙のエネルギー密度がわかればフリードマン方程式から宇宙の歴史が分かる ( 講義 3) LCDM モデル : 素粒子標準理論にない二つの要素 ( ダークマターとダークエネルギー ) を入れた宇宙論の標準モデル L: Lambda ( 宇宙定数 ) に由来する 上式では 宇宙項は左辺 ( 時空の曲がり具合 ) にある 移行すれば 未知のエネルギーとなる さらに L が定数でない場合も含め ダークエネルギーとよぶ CDM: Cold Dark Matter 非相対論的粒子 電荷を持たない 宇宙年齢より十分長い寿命 2009/12/16-18 東北大学集中講義 80

81 ダークマターの証拠 渦巻銀河の回転曲線 銀河団内の銀河の動き 銀河団の質量測定 (X 線 重力レンズ ) 以下でもダークマターを入れればうまくいく ビッグバン元素合成 宇宙の大規模構造形成 2009/12/16-18 東北大学集中講義 81

82 渦巻き銀河の回転曲線 我々の銀河の回転曲線 輝く物質量からの予想値 太陽の位置 2009/12/16-18 東北大学集中講義 82

83 重力レンズ 2009/12/16-18 東北大学集中講義 83

84 ダークエネルギーの証拠 2009/12/16-18 東北大学集中講義 84

85 2009/12/16-18 東北大学集中講義 85

86 2009/12/16-18 東北大学集中講義 86

87 フリードマン ルメートル方程式 i = m: matter r: radiation L: dark energy 臨界密度 2009/12/16-18 東北大学集中講義 87

88 宇宙初期史 事象 宇宙年齢 温度 エネルギー プランク時間 10のマイナス43 乗秒 10の32 乗 K インフレーション 10のマイナス36 乗秒 10の28 乗 K 電弱統一の破れ 10のマイナス10 乗秒 10の15 乗 K QCD 相転移 10のマイナス5 乗秒 10の12 乗 K n decoupling 1 秒 10の10 乗 K 陽電子消滅 4 秒 5x10の9 乗 K 軽元素合成 100 秒 10の9 乗 K 放射密度 = 物質密度 10の12 乗秒 10の4 乗 K 晴れ上がり 10の13 乗秒 3000K 銀河形成 10の16 乗秒 10K 現在 5x10の17 乗秒 2.725K 課題 2: エネルギーの値をうめよ 2009/12/16-18 東北大学集中講義 88

89 後退速度 T. Davis and C. Lineweaver, astro-ph/ /12/16-18 東北大学集中講義 89

90 Spacetime Diagrams T. Davis and C. Lineweaver, astro-ph/ /12/16-18 東北大学集中講義 90

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