平成23年度発見の歴史（物理学）

(1)

YAMAGATA UNIVERSITY

素粒子に関する発見 ①

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

(2)

“素”粒子ってなんでしょう?

(elementary particle)

物質の構造を分子･原子･原子核と分けて階層的に見たとき､原子核の次にくる粒子をいう｡

相互転化を基本的特徴とする｡

個々には質量･電荷･スピンなどの量子数で指定され､ハドロン族･レプトン族･ゲージ粒子族に大別｡

（広辞苑第5版） (elementary particle)

物質の構造を分子･原子･原子核と分けて階層的に見たとき､原子核の次にくる粒子をいう｡

相互転化を基本的特徴とする｡

個々には質量･電荷･スピンなどの量子数で指定され､ハドロン族･レプトン族･ゲージ粒子族に大別｡

（広辞苑第5版）

素粒子

とかかれていますが、ここでは『物質の“素”となる粒子』

『それ以上分解できない粒子』　　（例：素数）

(3)

3

物質の階層構造

太陽系の大きさ　約６０億km 太陽系の大きさ　約６０億km

太陽系の

~ 1万分の１太陽の大きさ　約７０万km 太陽の大きさ　約７０万km

(4)

自然の階層構造

分子

電子

原子核

陽子

中性子

クォーク

10

^-10

m

原子

10

^-9

m

10

^-14

m

10

^-15

m

ナノメートル

Å（オングストローム）

10

^-18

m

原子の大きさ ₁₀^-10_m 原子核の大きさ ₁₀^-14_m

~ 1^万分の１

原子の大きさ ₁₀^-10_m 原子核の大きさ ₁₀^-14_m

~ 1^万分の１

(5)

原子核が人の大きさ程度とすると

原子：　山形市 _{（～20 ｋｍ）} 原子核：バランスボール _{（1 ｍ）}

陽子・中性子：ソフトボール _{（10 ｃｍ）}

電子・クォーク：花粉以下　（< 0.1 ｍｍ）

原子核が人の大きさ程度とすると

原子：　山形市 _{（～20 ｋｍ）} 原子核：バランスボール _{（1 ｍ）}

陽子・中性子：ソフトボール _{（10 ｃｍ）}

電子・クォーク：花粉以下　（< 0.1 ｍｍ）

原子の大きさ原子の大きさ

原子核の大きさ原子核の大きさ

クォークの大きさクォークの大きさ陽子の大きさ

陽子の大きさ

(6)

基本粒子

力を伝える粒子力を伝える粒子陽子・中性子を作る粒子

陽子・中性子を作る粒子

質量を生み出す粒子（神の粒子）

質量を生み出す粒子（神の粒子） ^{もしかしたら} 2012年に・・・

(7)

素粒子年表

クォークの不思議

R・M・バーネット、H・ミューリー、H・R・クイン　（守谷　昌代　訳）

20世紀は

『素粒子物理学』の世紀 20世紀は

『素粒子物理学』の世紀

(8)

ノーベル物理学賞に見る『素粒子』の発見

1935年　ジェームズ・チャドウィック中性子の発見

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 1936年　

ビクター・ヘス宇宙線の発見

カール・デイヴィット・アンダーソン陽電子の発見 1936年　

ビクター・ヘス宇宙線の発見

カール・デイヴィット・アンダーソン陽電子の発見

1959年　エミリオ・セグレ、オーウェン・チェンバレン反陽子の発見

1959年　エミリオ・セグレ、オーウェン・チェンバレン

反陽子の発見 1976年　バートン・リヒター、サミュエル・ティンジェイプサイ中間子の発見

1976年　バートン・リヒター、サミュエル・ティンジェイプサイ中間子の発見

1984年カルロ・ルビア、シモン・ファンデメール

弱い相互作用を媒介する場の粒子（ウィークボゾン）の発見を導いた巨大プロジェクトへの貢献

1984年カルロ・ルビア、シモン・ファンデメール

弱い相互作用を媒介する場の粒子（ウィークボゾン）の発見を導いた巨大プロジェクトへの貢献

1988年レオン・レーダーマン、メルヴィン・シュワルツ、ジャック・シュタインバーガー

ニュートリノビーム法、およびミューニュートリノの発見によるレプトンの二重構造の実証 1988年レオン・レーダーマン、メルヴィン・シュワルツ、ジャック・シュタインバーガー

ニュートリノビーム法、およびミューニュートリノの発見によるレプトンの二重構造の実証

1995年

マーチン･パールレプトン物理学の先駆的実験（タウ粒子の発見）フレデリック・ライネスレプトン物理学の先駆的実験（ニュートリノの検出） 1995年

マーチン･パールレプトン物理学の先駆的実験（タウ粒子の発見）フレデリック・ライネスレプトン物理学の先駆的実験（ニュートリノの検出）

(9)

1936年ビクター・ヘス宇宙線の発見

1936年 ^{ビクター・ヘス} 宇宙線の発見

1902年

ヘス達は気球を利用して、

高度と放射線強度の関係をしらべた 1902年

ヘス達は気球を利用して、

高度と放射線強度の関係をしらべた

放射線で放電が誘発放射線で放電が誘発

Q

^放射線

−Q

高度と共に放射線強度も上昇

→ 宇宙から降り注ぐ放射線

→ 宇宙線

宇宙線の発見

(10)

霧箱霧箱

1927年　チャールズ・ウィルソン

蒸気の凝縮により荷電粒子の飛跡を観察できるようにする方法（霧箱）の研究 1927年　チャールズ・ウィルソン

蒸気の凝縮により荷電粒子の飛跡を観察できるようにする方法（霧箱）の研究

1936年　カール・デイヴィット・アンダーソン陽電子の発見

鉛の板鉛の板

宇宙線宇宙線

粒子は鉛の板で減速

→　磁場で大きく曲げられる

→　宇宙線の入射方向

→　宇宙線の電荷が決まる

電子 ^陽電子 1932年　霧箱での宇宙線観測中に陽電子を発見

陽電子の発見

磁場磁場

電子と同程度の質量で、

正電荷を持つ粒子陽電子電子と同程度の質量で、

正電荷を持つ粒子陽電子

(11)

粒子と反粒子：　電子と正孔

自由電子

正孔

+V

−V −V +V

電子と逆負号の電荷をもつ正孔が電流方向に移動するように見える

電子を取り出す

電圧をかける電圧をかける

(12)

電子と正孔：　粒子と反粒子

正孔

光（電磁波）が

電子

電子と正孔を作り出す

正孔

電子

正孔と衝突　→　消滅 ^{光（電磁波）を作る} 電子と正孔の

対生成

電子と正孔の

対生成

電子と正孔の

対消滅

電子と正孔の

対消滅

(13)

ディラックの海

1933年エルヴィン・シュレディンガー、ポール・ディラック

新形式の原子理論の発見

すべての粒子には　『反粒子』が存在電子 → 陽電子

陽子 → 反陽子

クォーク → 反クォーク E

0

E 粒子 0

反粒子

･　負のエネルギーが存在

・　負のエネルギーはすべて粒子で埋められている

1959年エミリオ・セグレ、オーウェン・チェンバレン

反陽子の発見

1959年エミリオ・セグレ、オーウェン・チェンバレン

反陽子の発見

(14)

粒子と反粒子の生成・消滅

粒子が反粒子と出会うと消滅

粒子と反粒子のエネルギーが光となって放出十分なエネルギーを持つ光は

粒子と反粒子の対を生成する

対生成

対消滅

粒子・反粒子の対生成、対消滅素粒子の特徴的な性質の1つ粒

子 E

0

反粒子

粒子 E

0

反粒子

(15)

22

_{Naからの放射線}

「コンセンサス原子力2010」より

22_Naはβ^＋_線を放出

β線 = 電子 β線 = 電子

β線 = 陽電子 β線 = 陽電子

22_Na

β^＋^線

電子と衝突

光（ガンマ線）を

_２個

放出

→　電子・陽電子が消滅

(16)

粒子と反粒子の『対消滅』

E ₌ m c ²

エネルギー ^質量 ^光速

質量とエネルギーの等価式

22_Naはβ^＋_線を放出

陽電子　＋　電子　→　２×ガンマ線

どちらも同じ質量（陽）電子質量と等価なエネルギー

(17)

22

Naから放出されるガンマ線のエネルギー

（陽）電子の質量に対応するエネルギーピーク

(18)

身の周りの反物質

PET：　ポジトロン断層法

写真はWikipediaより

陽電子

ガンマ線検出器

ガンマ線発生場所電子の場所を特定

電子

(19)

シュレディンガーの猫

脇道にはずれているわけでもないけれど、ちょっと脇道にはずれて

ボーアの量子仮説　→　電子は原子軌道状で定在波を取るボーアの量子仮説　→　電子は原子軌道状で定在波を取る

粒子は『波』の性質を持つ粒子の運動を『波動関数』をつかって記述

波を粒子の『粗密波』と考える・・・

波の振幅の大きなところに、粒子が存在する『確率』が大きい波の振幅の大きなところに、粒子が存在する『確率』が大きい

粒子は『粒子』

1つのものが同時に複数の場所には存在できない 1933年エルヴィン・シュレディンガー、ポール・ディラック

(20)

粒子の運動：　シュレディンガー方程式

時間の流れ

位置

  x , t 

粒子の波動関数が従う、運動方程式を発見

シュレディンガー方程式

i ℏ ∂

∂t ^{ψ(⃗r , t)=} ₍ ⁻

ℏ

²

2 m ^{Δ+V (⃗r )} ^⃗ ₎ ^{ψ(⃗r , t)}

(21)

シュレディンガーの猫

波動関数は粒子がある『状態』をとる確率を決めるだけ。

→　もっとも起こり易い『状態』を予想できる実際に粒子がどういう『状態』にあるか?

→ 観測して初めて分かる電子のスピン

外部磁場がない場合、上向き、下向きどちらも同じ確率で起き得る

or

50% ^50%

測定

(22)

シュレディンガーの猫

猫は

生きている死んでいる

の₂つの状態を取り得る箱の中に入っている猫

どちらの状態をとっているか不明

箱を開ける

猫の生死は判明

量子論的には

『箱の中に入っている猫は _50%生きていて、_50%死んでいる　状態』と考える。

観測時にすべての可能な『状態』から、ある₁つの状態が選び出される

※　波動関数に従う、確率論的な振る舞い

『神はサイコロを振らない』　（アインシュタイン・反量子論陣営）

(23)

不確定性関係

1932年ヴェルナー・ハイゼンベルク

量子力学の創始ならびにその応用、特に同素異形の水素の発見

1932年ヴェルナー・ハイゼンベルク

量子力学の創始ならびにその応用、特に同素異形の水素の発見

Δ x Δ p≥ ^ℏ

2

物体の『位置』を知りたい場合

『光』を当てて反射を見る同時に物体は『反跳』する

→　『運動量』が変化する位置を測定すると、運動量が変化する

二つの『量』を『同時』に『正確』に求める事は出来ないそれらの『不確定性』の関係は

(24)

素粒子年表

クォークの不思議

R・M・バーネット、H・ミューリー、H・R・クイン　（守谷　昌代　訳）

20^世紀は

『素粒子物理学』の世紀

(25)

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

π

⁻

π ⁻ → μ ⁻ _{+ ̄ν} _μ

→ ^e ⁻ _{+ ̄ν} _e +ν _μ _{+ ̄ν} _μ

パイ中間子の崩壊パイ中間子の崩壊

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

(26)

ベバトロン (Bevatron) @ローレンス・バークレー国立研究所ベバトロン (Bevatron) @ローレンス・バークレー国立研究所

反陽子の発見

k →M →G →T →P →・・・ 10³→10⁶ →10⁹ →10¹² →10¹⁵ →・・・

B

BeV （ベブ）　と呼ばれた時があった・・・・

10⁹電子ボルトの加速器　→　ベバトロン

http://www.wired.com/images_blogs/wiredscience/2009/07/bevatron_1a.jpg

(27)

反陽子のとらえ方

磁石で負電荷の粒子を選択

→　運動量（質量×速度：　運動の勢い）も選択 S1_とS2の間を通り抜ける粒子を測定

→　陽子の質量　→　反陽子の速度　→ 51 ns

→　他の中間子は約40nsで通り抜ける

他の粒子

反陽子

３万個の他の粒子に対して１個の反陽子を同定

反陽子の発見

C2で速度が想定どおりかチェレンコフ検出器で確認

40 ns

51 ns

(28)

1954年　ワルサー・ボルテ

コインシデンス法による原子核反応とガンマ線に関する研究 1954年　ワルサー・ボルテ

コインシデンス法による原子核反応とガンマ線に関する研究

同時計測による飛行時間測定

・　51 ns 遅らせたS1の信号

・　S2の信号

1958年パーヴェル・チェレンコフ、イリヤ・フランク、イゴール・タム

チェレンコフ効果の発見とその解釈

1958年パーヴェル・チェレンコフ、イリヤ・フランク、イゴール・タム

チェレンコフ効果の発見とその解釈

チェレンコフ検出器による速度測定

反陽子の発見

(29)

1935年　ジェームス・チャドウィック中性子の発見

素粒子は

電子（＋陽電子）

陽子（＋反陽子）・中性子　＋　中間子 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 1959年　エミリオ・セグレ、オーウェン・チェンバレン

反陽子の発見

平成23年度 発見の歴史（物理学）

素粒子に関する発見 ①

“素”粒子ってなんでしょう?

素粒子

物質の階層構造

自然の階層構造

10

m

10

m

10

m

10

m

10

m

基本粒子

素粒子年表

ノーベル物理学賞に見る『素粒子』の発見

Q

−Q

→ 宇宙線

宇宙線の発見

陽電子の発見

粒子と反粒子： 電子と正孔

+V

−V −V +V

電子と正孔： 粒子と反粒子

対生成

対生成

対消滅

対消滅

ディラックの海

粒子と反粒子の生成・消滅

対生成

対消滅

Naからの放射線

２個

粒子と反粒子の『対消滅』

E = m c 2

エネルギー 質量 光速

Naから放出されるガンマ線のエネルギー

身の周りの反物質

シュレディンガーの猫

粒子の運動： シュレディンガー方程式

  x , t 

シュレディンガー方程式

シュレディンガー方程式

i ℏ ∂

∂t ψ(⃗r , t)= ( −

ℏ

2 m Δ+V (⃗r ) ⃗ ) ψ(⃗r , t)

シュレディンガーの猫

or

50% 50%

シュレディンガーの猫

不確定性関係

Δ x Δ p≥ ℏ

2

素粒子年表

中間子の発見

π

π − → μ − + ̄ν μ

→ e − + ̄ν e +ν μ + ̄ν μ

反陽子の発見

反陽子の発見

反陽子の発見

?

平成23年度発見の歴史（物理学）

粒子と反粒子：　電子と正孔

電子と正孔：　粒子と反粒子

_{Naからの放射線}

_２個

E ₌ m c ²

エネルギー ^質量 ^光速

粒子の運動：　シュレディンガー方程式

∂t ^{ψ(⃗r , t)=} ₍ ⁻

2 m ^{Δ+V (⃗r )} ^⃗ ₎ ^{ψ(⃗r , t)}

50% ^50%

Δ x Δ p≥ ^ℏ

π ⁻ → μ ⁻ _{+ ̄ν} _μ

→ ^e ⁻ _{+ ̄ν} _e +ν _μ _{+ ̄ν} _μ