第２回　星の一生 星は生まれてから死ぬまでに元素を造りばらまく

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1 素粒子世界の物理 物質を形作るミクロの 世界の不思議 1. 素粒子の世界 2. 素粒子の標準模型 3. 標準模型の困難 : ニュートリノ質量と暗黒物質 4. 統一理論

2 1. 素粒子の世界 自然界のあらゆる物質は原子に分解される しかし 原子は最小の構成要素ではなく さらに原子核と電子に分解できる 原子核はさらに下部構造を持っており 現在 我々が到達可能な究極の構成要素が素粒子である 素粒子の世界の構造と物理は 我々が日常生活で経験する物理とは全く異なる特徴を持っている そのような極微の世界の物理を我々はどのようにして調べることができるのだろうか

3 様々な物質は原子から構成される 原子の大きさ 1 億分の 1cm 程度 水素原子 :1 円玉 野球のボール : 地球

4 原子核の大きさは 原子の大きさの 10 万分の 1 程度 クォークの大きさは 原子核の大きさの 10 分の 1 より小さい 原子核は核子 ( 陽子と中性子 ) から構成される 核子は 3 個のクォークから構成される 湯川は陽子と中性子の間に働く力を説明するために新たな粒子の存在を予言し 素粒子物理の世界の最初の開拓者となった

5 初期宇宙 高温高密度素粒子のスープ ビッグバンと宇宙膨張 力と物質構造の進化 現在の宇宙 150 億年 宇宙的構造物 星 銀河 銀河団 cm 陽子 中性子 生命体など ~ 2 10 cm 原子核 原子 分子 cm~10 cm -13 ~10 cm cm~10 cm 素粒子の研究は現在の宇宙の構造解明にもつながる

6 素粒子の世界はどのような世界か素粒子の世界を統べる法則? 粒子の運動状態 エネルギー運動量 E p 対応する現象なし 波動の運動状態 振動数波長 ν λ 干渉などの現象 量子力学 粒子性と波動性の二重性 相対性理論 粒子の位置と運動量は同時には決まらない 質量とエネルギーは等価 小さな領域を調べる 素粒子を作り出す 膨大なエネルギーが必要

7 素粒子の世界の調べ方 I 加速器実験 加速粒子の衝突反応の検出高エネルギー反応欧州原子核研究機構 (CERN) 検出器 トンネルとビームライン

8 素粒子の世界の調べ方 II 非加速器実験 大容量の観測装置多量の反応を観測スーパーカミオカンデ ニュートリノ反応のようなまれにしか起こらない反応 池の山 1300 メートル 1000 メートル 光電子増倍管で壁面を覆い尽くされた巨大な純水槽

9 2. 素粒子の標準模型 素粒子実験を通して明らかになってきた素粒子の世界は それから作り上げられている自然界の複雑な姿に比して 極めて単純な構造をしている 素粒子の世界は 物質の構成要素としての物質粒子と物質粒子の間に力を生じさせるゲージ粒子 そして質量の起源となるヒッグス粒子から成り立っている

10 素粒子の標準模型 標準模型 の世界 現在, 正しいとされている素粒子の世界を記述する模型 クォ ク レプトン 第一世代第二世代 アップ ダウン 電子ニュートリノ 電子 物質粒子 チャーム ストレンジ ミューニュートリノ ミューオン 第三世代 トップ ボトム タウニュートリノ タウオン 相互作用の媒介粒子 強い相互作用グルーオン電磁相互作用光子弱い相互作用 Wボソン Zボソン 質量を生み出す粒子 ヒッグス粒子 H 唯一の未発見粒子 LHC 実験での発見が期待される

11 強い相互作用 強い相互作用はクォークの色に働く 青クォーク 赤クォーク 強い相互作用 = グルーオンの交換 d- クォーク u- クォーク 赤クォーク グルーオン 青クォーク u- クォーク 陽子

12 弱い相互作用 陽子 u d u 弱い相互作用は香りに働く 電子 反ニュートリノ 弱い相互作用 =W Z 粒子の交換 W - 粒子 u d d 中性子 n p+e+ν e (β 崩壊 ) 高速増殖炉原型炉 もんじゅ

13 電磁相互作用 電磁相互作用は電荷に働く電磁相互作用 = 光子の交換 電子 μ 粒子 電子 光子 μ 粒子 朝永は 量子力学的電磁相互作用を詳細に調べ 素粒子の数学的取り扱いの基礎となる繰り込み理論を作り上げた

14 重力相互作用 重力相互作用は質量に働く 重力相互作用 = 重力子の交換 重力子

15 物質粒子の構造 同じ電荷の粒子群 (u,c,t) (d,s,b)(ν e,ν μ,ν τ )(e,μ,τ) 世代構造 同じ粒子構造 ( u, d, ν, e ) e ( c, s, ν, μ ) μ ( t, b, ν, τ ) τ 第 1 世代 第 2 世代 第 3 世代 世代構造に関わる謎世代数は? 世代間の違いは?? 世代構造の起源は??? 小林 益川は 3 世代目の粒子が見つかっていない段階で 粒子反粒子対称性 (CP 対称性 ) の破れをもとに 6 個のクォークが存在することを予言した

16 Z ボゾンの崩壊 ν Z ν の数は 3 種類 ν Z ボゾンの質量の半分より軽い質量のニュートリノは ν ν ν の 3 種類に限られる e μ τ クォーク レプトンの世代数は 3

17 世代間の違い 質量の大きさ 第 1 世代第 2 世代第 3 世代 m (5MeV) < m (1.2GeV) < m (174GeV) u c t m (9MeV) < m (120MeV) < m (4.4GeV) d s b m (0.5MeV) < m (105MeV) < m (1.8GeV) e μ τ ~20 倍程度 ~20 倍程度 物質粒子の世代間階層構造の起源は??? ニュートリノの質量は?

18 ヒッグス粒子と素粒子の質量 ヒッグス粒子は真空 ( エネルギー最低状態 ) の性質を決める 対称性が破れる前の真空状態 対称性が自発的に破れた後の真空状態 ヒッグス粒子が詰まった状態 衝突するものなし ヒッグス粒子とどのぐらい強く衝突しやすいかで質量の大きさが決まる

19 3. 標準模型の困難 標準模型は様々な実験結果をうまく説明してきたが 近年 標準模型では説明できない実験事実が知られるようになってきた ニュートリノ質量の存在と宇宙における暗黒物質の存在は 標準模型では説明できないため 標準模型はこれらを説明できるように拡張されるべきだと考えられている 暗黒物質については 第 4 回の講義で触れた ここでは ニュートリノ質量について説明しよう

20 物質粒子の質量 S P 右巻き粒子 混合 + S P 左巻き粒子 標準模型には右巻きニュートリノが含まれない!! ニュートリノは質量ゼロ

21 ニュートリノ質量についての実験的制限 上限値のみが知られている ν e n ν, ν μ τ π, μ β 崩壊 p + e + ν e ニュートリノは弱い相互作用しかしない エネルギー分布を調べる ニュートリノの質量はきわめて小さい ν 直接観測は難しい -5 電子質量の10 倍以下 ニュートリノ以外の粒子のエネルギーなどを調べる 電子質量の 0.3 倍 36 倍以下

22 ニュートリノに質量があると ニュートリノの種類が変わる e これを実験的に観測する ニュートリノ振動実験

23 時間の経過 ( 飛行距離 ) とともに A ニュートリノと B ニュートリノの間で振動 ニュートリノ振動 観測確率 発生 A B 振動長 飛行距離 L 観測点 ニュートリノ振動が A と B の間で顕著に現れる条件 (A の質量の 2 乗 )-(B の質量の 2 乗 )~ 例えば 原子炉からの反電子ニュートリノ E ~ 10 MeV L ~ 100 m とすれば E( エネルギー ) L( 飛行距離 ) Δm 2 = 0.1 ~ 1 ev 2 ならばニュートリノ振動が見える

24 日本の研究グループは大気ニュートリノ 太陽ニュートリノ 原子炉ニュートリノのニュートリノ振動実験を通してニュートリノに質量があることを示した 大気ニュートリノの場合 ν e ν μ 大気 π + μ + ν μ 宇宙線 (p) + e ν μ ν e 期待される観測結果 電子ニュートリノ数 ミューニュートリノ数 = 1 2 観測結果 ~1! 大気ニュートリノ問題 スーパーカミオカンデによる統計精度の改善

25 観測結果の一例 スーパーカミオカンデでの観測データの例 質量 0 の場合の理論値 上空からのニュートリノ数 地球の裏からのニュートリノ数 実測データ 地球の裏から 上空から

26 4. 統一理論 標準模型では クォークとレプトンは別種類の粒子と考えられ 電磁力 弱い力 強い力は全く別種類の力と考えられている しかし これらは元々の 1 種類の粒子 1 種類の力が宇宙の進化の過程で分化し 別の粒子 別の力となった可能性がある このような考え方に基づき作られる理論は統一理論と呼ばれ その発見は素粒子物理究極の目標となっている 統一理論で説明できそうないくつかの謎がある

27 1 種類の力から宇宙は始まった? 力の統一 電磁力 弱い力 強い力 それぞれの強さを表す結合定数は 宇宙の温度とともに変化する 力の強さの逆数 現在 電磁力 弱い力 強い力 宇宙の温度 同じ力だった 力が分かれることでクォーク レプトンにも区別が生じる ビッグバン

28 宇宙にどうして反物質 ( 反粒子 ) は無いのか? 粒子 反粒子 宇宙初期には同数の粒子と反粒子が存在したが ある時点で 10 億個につき 1 個だけ粒子の数が多くなったとすれば 説明可能 光 対消滅する相手のいない粒子は消えずに残る このようなことが起こりうるために必要な条件 クォークをレプトンに変える過程の存在すること 粒子を反粒子と入れ替える対称性が破れていること 統一理論を考えることで これらが満足される可能性が生じる

29 暗黒物質の起源は何か? 最も有力な候補は宇宙初期に多量に存在した粒子 弱い力程度の強さの力を受ける 質量を持ち 電気的に中性で安定である 粒子数密度 現在の暗黒物質量 ビッグバン 宇宙温度 現在 物質標準模型には暗黒物質の候補となり得る粒子が含まれていないが このような粒子は統一理論を考えることによって導入される可能性がある 代表的な候補 ニュートラリーノ

30 ニュートリノ質量はなぜ極端に小さいのか? 統一理論を考えることにより 他のクォーク レプトンに比べてニュートリノ質量が極端に小さいことをうまく説明できる ν シーソー機構 R 重い右巻きニュートリノ 軽いニュートリノの実現 右巻きニュートリノだけがなぜ極端に重いのか? 統一理論を考えると説明ができる

31 統一理論に向けての展望 統一理論によって 標準模型では理解できない数多くの謎が解明できる可能性がある 電磁力 弱い力 強い力に加えて 4 番目の基本的力である重力をも同時に統一しようとする研究が 素粒子は紐であるとする超弦理論に基づき進められている 稼動間近の LHC 実験によって 統一理論に向けたヒントが得られることが期待される