H23 コマの物理から素粒子のスピン

(1)

YAMAGATA UNIVERSITY

陽子のスピン

https://sites.google.com/site/komaspin/

(2)

素粒子データベース

http://pdg.lbl.gov/ http://pdg.lbl.gov/

(3)

PDG Live

陽子は Nバリオンの仲間陽子は Nバリオンの仲間

(4)

バリオン：　陽子の仲間

(5)

陽子のデータ

陽子の色々な性質陽子の色々な性質

(6)

陽子について ^スピン ^スピン

質量質量

比電荷比電荷

磁気モーメント磁気モーメント

電荷半径電荷半径

陽子の寿命陽子の寿命

(7)

クォークと核子

1969年 ^{マレー・ゲルマン}

素粒子の分類およびその相互作用に関する発見 1969年 ^{マレー・ゲルマン}

素粒子の分類およびその相互作用に関する発見

u u d

u d d

（アップ、アップ、ダウン）

陽子中性子

（アップ、ダウン、ダウン）

核子（陽子・中性子）や中間子はクォークから出来ている核子（陽子・中性子）や中間子はクォークから出来ている

(8)

ハドロン　（強粒子）

バリオン（重粒子）メソン（中間子）

q q

q

q q

クォーク３個 ^{クォークと反クォーク} 1969年 ^{マレー・ゲルマン}

クォークとハドロン

(9)

原子核を作る力：核力の発見

陽子・中性子（核子）を結びつける力核力 1935年　湯川秀樹

・　粒子間の相互作用　＝　力を媒介する粒子（中間子）の交換

・　力の到達距離（原子核の大きさ）　→　中間子の質量を予言

重い粒子　短距離間力　→　核力・弱い相互作用軽い粒子　長距離間力　→　電磁力

陽子・中性子（核子）を結びつける力核力 1935年　湯川秀樹

・　粒子間の相互作用　＝　力を媒介する粒子（中間子）の交換

・　力の到達距離（原子核の大きさ）　→　中間子の質量を予言

重い粒子　短距離間力　→　核力・弱い相互作用軽い粒子　長距離間力　→　電磁力

1949年　湯川秀樹

核力の理論的研究による中間子の存在の予言 1949年　湯川秀樹

核力の理論的研究による中間子の存在の予言

何故、陽子と中性子が　10^-14 m の大きさに束縛されているのか？

何が、陽子と中性子を繋ぎ止めているのか? 原子核の大きさ

原子核の大きさ

10^-14 m

(10)

力を伝える粒子：　『中間子』

中間子のキャッチボール

軽い粒子は遠くまで

重い粒子は近くだけ

(11)

色々な力と『中間子』

電磁力電磁力無限遠核力核力

弱い力弱い力

重力重力

~ 10^-15 m

~ 10^-18 m

無限遠

光子

力の種類到達距離『中間子』質量 0

パイ中間子 _{陽子の0.15倍}

W・Z粒子

（重力子）

陽子の約90倍

0

1947年発見

1948年人工的に生成 1947年発見

1948年人工的に生成

強い力強い力無限遠グルーオン ₀

クォークを結びつけ、陽子・中性子を作る力

ベータ崩壊を引き起こす力

『力を伝える粒子』

(12)

中間子の発見

1950年　セシル・パウエル

写真による原子核崩壊過程の研究方法の開発および諸中間子の発見

1950年　セシル・パウエル

写真による原子核崩壊過程の研究方法の開発および諸中間子の発見

1947年

アンデス山脈の高地で

宇宙線にさらされた写真乾板による発見

ノーベル物理学賞受賞講演論文より抜粋



⁻



⁻

 

⁻

_{ } 

_

 e

⁻

_{ } 

_e



_

_{ } 

_

パイ中間子の崩壊パイ中間子の崩壊

(13)

陽子 ^u ^u ^d 中性子 u d d

^ û û û

^

⁻

^

u u d u d d d d d

⁰ ^u ^d ^s

反陽子 u u d

⁰ ^u ^d ^s

⁻ ^d ^d ^s

^ ^u ^u ^s

ハドロン　（強粒子）

バリオン（重粒子）メソン（中間子）クォーク３個

クォーク３個 ^{クォークと反クォーク}クォークと反クォーク

反バリオン（重粒子）

反クォーク３個反クォーク３個

^ ^u ^d

⁻ ^d ^u

⁰ ^u ^u ^d ^d

K⁻ ^s ^u

K^ ^u ^s K⁰ ^d ^s K⁰ ^s ^d

⁰ ^u ^u ^d ^d ^s ^s

クォークの電荷電荷 _+2/3 電荷 _-1/3

クォークとハドロン

(14)

_p=2.792847356±0.000000023 _N _n=−1.9130427±0.0000005 _N

_N= ^e 2_m

p

=3.1524512326 45×10⁻¹⁴ ^MeV/T 核磁子(Nuclear magneton)

陽子のスピン



_p

= ⁴

3 ^

^u

⁻

1 3 ^

^d

^

ⁿ

⁼

4 3 ^

^d

⁻

1 3 ^

^u



_p



_n

⁼⁻

3

2

実験結果は

−1.46 ....

クォークと核子の磁気能率

u u d u u d d d u d d u

中性子のスピン

u ^⇔ d

m_u=m_d e_u=−2 e_d



_u

=−2

_d

スピンスピン

磁気モーメント

磁気モーメントクォークの電荷を考慮すると・・・

(15)

Δバリオン

→　同じスピンのアップクォークは禁止

→　別の自由度が必要：　３成分必要

→　同じスピンのアップクォークは禁止

→　別の自由度が必要：　３成分必要

u

u _u

Δ⁺⁺^{バリオンは}

アップクォーク3個で出来ている

パウリの排他原理パウリの排他原理

Δバリオンのスピン Δバリオンのスピン

クォークはすべて上向き

3 2 ⁼⁺

1 2 ⁺

1

2

(16)

クォークは　_赤(R)、_青(B)、_緑(G)　のカラー（色電荷）を一つ持つ反クォークは補色（反色）：_反赤(R)、_反青(B)、_反緑(G)　を持つハドロンは、白色となるようなカラーの組み合わせをとる

R B G

バリオンバリオン

R B G

反バリオン

反バリオン中間子_中間子

R R B B

G G

クォークのカラー自由度

(17)

クォーク間の力：　強い力とグルーオン

電磁力電磁力無限遠核力核力

弱い力弱い力

重力重力

~ 10^-15 m

~ 10^-18 m

無限遠

光子

力の種類到達距離『中間子』質量 0

パイ中間子 _{陽子の0.15倍}

W・Z粒子

（重力子）

陽子の約90倍

0

1947年発見

1948年人工的に生成 1947年発見

1948年人工的に生成

強い力強い力無限遠グルーオン ₀

クォークを結びつけ、陽子・中性子を作る力

ベータ崩壊を引き起こす力

『力を伝える粒子』

(18)

クォーク間の力：　強い力

強い力の性質

遠く離れれば離れるほど力が強くなる

近づくほど弱くなる

_{→　漸近的自由性}

2004年デヴィッド・グロス、H・デヴィッド・ポリツァー、フランク・ウィルチェック強い相互作用の理論における漸近的自由性の発見

※　電磁気力：遠距離では力は弱くなる、近づくほど強くなる

(19)

高エネルギー粒子の『衝突』・『散乱』

だるま落としの特徴

・　十分勢いをつけて

・　コマの1つだけを打ち抜くと

・　他のコマはそのままで、打ち出される

・　上のコマはだるまを倒さずに

・　下にずれる

強くたたくと、コマはお互いに『自由』に振る舞う

?漸近的自由性?

(20)

陽子の内部を探る：　

電子とクォークの『衝突』と『散乱』

散乱された電子を詳しく調べる事で、陽子の中に

『何個のクォーク』

が入っているか分かる

散乱された電子を詳しく調べる事で、陽子の中に

『何個のクォーク』

が入っているか分かる

『ビリヤード』＋『だるま落とし』

陽子

散乱された粒子

当たらないと素通り加速された粒子

例）　電子

陽子の中のクォーク

陽子の中を探る実験陽子の中を探る実験

(21)

陽子の中にあるクォークの数

『陽子の中に粒子が３個ある』

1990年^ジェローム・アイザック・フリードマン、ヘンリー・ケンドール、リチャード・E・テイラー

素粒子物理学におけるクォーク模型の決定的重要性をもった、

陽子および中性子標的による電子の深非弾性散乱に関する先駆的研究 1990年^ジェローム・アイザック・フリードマン、ヘンリー・ケンドール、リチャード・E・テイラー

陽子および中性子標的による電子の深非弾性散乱に関する先駆的研究

1969年 ^{マレー・ゲルマン}

(22)

グルーオンとクォークの対生成

強い力＝バネ（グルーオン：　膠粒子・のり粒子）強い力＝バネ（グルーオン：　膠粒子・のり粒子）

クォーククォーク

グルーオン

クォークを引き離すと引力がどんどん強くなるエネルギーがたまって

クォーク・反クォーク対が沢山生成される。

クォーク

反クォーク

陽子の中でもクォーク・反クォーク対が沢山生成されている!!

(23)

陽子はクォークスープのコップ?

陽子は大きさが 10^-15 m のコップで、中はクォーク・反クォーク・グルーオンで出来たスープで満たされている。陽子は大きさが 10^-15 m のコップで、中はクォーク・反クォーク・グルーオンで出来たスープで満たされている。

陽子の物理的性質を決める３つの『価クォーク』が

スープの上に浮かんでいる陽子の物理的性質を決める３つの『価クォーク』が

スープの上に浮かんでいる

1990年^ジェローム・アイザック・フリードマン、ヘンリー・ケンドール、リチャード・E・テイラー

陽子および中性子標的による電子の深非弾性散乱に関する先駆的研究 1990年^ジェローム・アイザック・フリードマン、ヘンリー・ケンドール、リチャード・E・テイラー

陽子および中性子標的による電子の深非弾性散乱に関する先駆的研究

(24)

CERN-EMC実験

スピンをそろえた陽子標的スピンをそろえた陽子標的スピンをそろえたミュー粒子ビーム

約 10¹¹電子ボルト　（数百億電子ボルト）解像度は陽子の100分の１

スピンをそろえたミュー粒子ビーム

約 10¹¹電子ボルト　（数百億電子ボルト）解像度は陽子の100分の１

散乱された粒子を検出散乱された粒子を検出

スピンをそろえる　＝　『スピン偏極』

(25)

電子の散乱と『スピン』

電子とクォークの散乱電子とクォークの散乱

『光子』を放出

『光子』を吸収

散乱

電子・クォークと光子のスピン電子・クォークと光子のスピン

電子・クォーク ₊¹

2 ⁻ 1 2 光子 ₊₁ ₋₁

スピン +1 の例）

+¹ 2

−¹ 電子スピン反転 2

クォークスピン反転

−¹ 2

+¹ 2 スピン +1 の

スピン保存則スピン保存則

反応の前後でスピンの合計は同じ

(26)

スピン偏極している場合

電子とクォークの散乱電子とクォークの散乱

電子のスピンをそろえると、

反対向きのスピンのクォークが散乱される電子のスピンをそろえると、

反対向きのスピンのクォークが散乱される

ビームと標的のスピンをそろえると偏極陽子中で

どれくらいクォークが偏極しているかを明らかにできる。

ビームと標的のスピンをそろえると偏極陽子中で

どれくらいクォークが偏極しているかを明らかにできる。

(27)

陽子スピンの起源

複合粒子の『スピン』　＝　構成粒子の『スピン』

※　ヘリウム原子核（陽子２＋中性子２）のスピンは　０

ところが_...

1988年 CERN（スイス）- Europeam Muon Collaboration

『クォークのスピンを足しても誤差の範囲でゼロ』

1988年 CERN（スイス）- Europeam Muon Collaboration

『クォークのスピンを足しても誤差の範囲でゼロ』

原子・原子核レベルで成立していた法則が　『破綻』　している?

（量子論で成り立つべき足し算）

『陽子スピンの危機』

(28)

陽子スピンの謎にせまる研究

『陽子スピンの危機』

₍₁₉₈₈^年₎

およそ四半世紀にわたる研究の始まりいまだ未解決の問題

『鍵』は再び　クォークの『軌道』と『スピン』_に?

『とある模型の理論予想』　クォークのスピン状態が

　クォークの軌道に影響する。

『とある模型の理論予想』　クォークのスピン状態が

　クォークの軌道に影響する。

s _p

電子の軌道

あくまで『模型』なので

(29)

「陽子のスピンを探る実験」

CERN-COMPASS

FNAL DESY-HERMES BNL-RHIC/spin

KEK

その他にもありますが、省略。

(30)

DESY-HERMES実験（1995 ~ 2007）

電子ビーム

電子ビーム各種放射線検出器の組み合わせで

散乱された電子を検出エネルギー

散乱方向を調べる

各種放射線検出器の組み合わせで散乱された電子を検出

エネルギー散乱方向を調べる

電子と陽子内のクォークとの衝突・散乱電子と陽子内のクォークとの衝突・散乱

(31)

HERMES実験検出器

陽子の内部を探る実験としては　小・中規模の実験です

(32)

CERN-COMPASS実験

(33)

山形大学 YU-COE

核子

陽子・中性子の総称核子

陽子・中性子の総称

H23 コマの物理から素粒子のスピン

陽子のスピン

素粒子データベース

PDG Live

バリオン： 陽子の仲間

陽子のデータ

陽子について スピン スピン

クォークと核子

ハドロン （強粒子）

クォークとハドロン

原子核を作る力：核力の発見

力を伝える粒子： 『中間子』

色々な力と『中間子』

『力を伝える粒子』

『力を伝える粒子』

中間子の発見





 

  

 e

  



  

ハドロン （強粒子）

クォークとハドロン



= 4

3 

−

1

3 



=

4

3 

−

1

3 





=−

3

2

−1.46 ....

クォークと核子の磁気能率



=−2

Δバリオン

3

2 =+

1

2 +

1

2 +

1

2

クォークのカラー自由度

クォーク間の力： 強い力とグルーオン

クォーク間の力： 強い力

→ 漸近的自由性

高エネルギー粒子の『衝突』・『散乱』

?漸近的自由性?

?漸近的自由性?

陽子の内部を探る：

『何個のクォーク』

『何個のクォーク』

『ビリヤード』＋『だるま落とし』

『ビリヤード』＋『だるま落とし』

陽子の中にあるクォークの数

『陽子の中に粒子が３個ある』

『陽子の中に粒子が３個ある』

グルーオンとクォークの対生成

陽子の中でもクォーク・反クォーク対が沢山生成されている!!

陽子の中でもクォーク・反クォーク対が沢山生成されている!!

陽子はクォークスープのコップ?

CERN-EMC実験

スピンをそろえる ＝ 『スピン偏極』

スピンをそろえる ＝ 『スピン偏極』

電子の散乱と『スピン』

バリオン：　陽子の仲間

陽子について ^スピン ^スピン

ハドロン　（強粒子）

力を伝える粒子：　『中間子』

_{ } 

_{ } 

_{ } 

ハドロン　（強粒子）

= ⁴

3 ^

⁻

3 ^

^

⁼

3 ^

⁻

3 ^

⁼⁻

2 ⁼⁺

2 ⁺

2 ⁺

クォーク間の力：　強い力とグルーオン

クォーク間の力：　強い力

_{→　漸近的自由性}

陽子の内部を探る：　

スピンをそろえる　＝　『スピン偏極』

スピンをそろえる　＝　『スピン偏極』

s _p

『有機EL』　と同様に