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 ③

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

(2)

ニュートリノの発見

＋

ベータ崩壊

＋

ベータ線（電子）

ニュートリノ

『弱い力』により中性子が陽子に変化する際、電子とニュートリノを放出する過程

2002年レイモンド・デービス、小柴昌俊天体物理学への先駆的貢献、

特に宇宙ニュートリノの検出

2002年レイモンド・デービス、小柴昌俊天体物理学への先駆的貢献、

特に宇宙ニュートリノの検出

(3)

ベータ崩壊と弱い相互作用

100年前 100年前

ベータ崩壊

＋

ベータ崩壊で放出された

電子のエネルギースペクトルベータ崩壊で放出された

電子のエネルギースペクトル

ニュートリノでめぐる素粒子・宇宙の旅 C.サットン著　鈴木厚人訳　から

この実験結果が大問題を引き起こしていた

なにが問題だったのか?

(4)

アルファ線の場合

＋

アルファ線

241Am 半減期 432.2 年

241

Am _→

²³⁷

Np _+α

E_=5.388 MeV 1.4 % E_=5.443 MeV 13.0 % E_=5.486 MeV 84.5 %

E

_

検出数

崩壊前の質量　＞　崩壊後の全質量質量差　→　アルファ線のエネルギー

アインシュタインによる『質量とエネルギーの等価原理』

E=mc ²

アルファ線のエネルギーはある決まった値になる

(5)

ベータ線の場合

100年前 100年前

ベータ崩壊

＋

ベータ崩壊で放出された

電子のエネルギースペクトルベータ崩壊で放出された

電子のエネルギースペクトル

ニュートリノでめぐる素粒子・宇宙の旅 C.サットン著　鈴木厚人訳　から

決まったエネルギーを持たない質量欠損 ≠ エネルギー ?

エネルギーが保存しない？

(6)

ベーター崩壊でのスピンの問題

+

n  pe ⁻

100年前 100年前

ベータ崩壊

＋

 ¹

2 ⁺

1 2 ⁺

1

スピンの値

2 スピンの足し算が成り立たない!

スピンの足し算が成り立たない!

(7)

ベータ崩壊

エネルギー保存の問題

エネルギー保存の問題スピン（角運動量）の問題スピン（角運動量）の問題

+

(8)

放射線淑女紳士への手紙

チューリッヒ　1930年12月4日親愛なる放射線淑女紳士諸君

この手紙の配達人のいうことに耳を傾けていただきたい。配達人は諸君に

「私はエネルギーと角運動量の保存則を救うための絶望的な救済法を思いついた」と発表するだろう。この救済法とは

「スピンが1/2で電気的に中性の粒子が原子核の内部に存在する」という可能性である。

この中性の粒子の質量は電子の質量と同じくらいで、陽子の質量の1/100以上ではありえない^。ベータ崩壊の際には電子1個とニュートリノ1個が放出され、電子とニュートリノの運動エネルギーの和が一定であるとすれば、放出された電子の運動エネルギーの問題は理解できよう。もしニュートリノが存在すれば、とっくに発見されているはずなので、私の救済方法が非現実的だという点は認める。しかし「虎穴に入らずんば虎児は得られない」。

エネルギー保存の破れによる事情の深刻さは、私の前任者がブラッセルで私にいわれた言葉によって明らかになるだろう。

「新しい税金の場合と同じように、考えないことがベストなのだ。」そこで、すべての可能な救済法を真剣に議論すべきである。放射性諸君、私の提案を調べて判断してほしい。

Ｗ．パウリ

ニュ ^ート

リノ ^の「

発明 ^」

1945年ヴォルフガング・パウリパウリの排他原理の発見

(9)

ベータ崩壊：　弱い相互作用

＋

ベータ崩壊

＋

ニュートリノ

『弱い力』により中性子が陽子に変化する際、電子とニュートリノを放出する過程

エネルギー

電子最大

ニュートリノ最小エネルギー

電子最大

ニュートリノ最小エネルギー

電子最小

ニュートリノ最大エネルギー

電子最小

ニュートリノ最大

ニュートリノ（スピン ½）により解決

+ +

エネルギー

電子半

ニュートリノ半エネルギー

電子半

ニュートリノ半

スピンの問題スピンの問題

(10)

C. サットン著

「ニュートリノでめぐる素粒子・宇宙の旅」より

ニュートリノ検出実験計画（１９６４）ニュートリノ検出実験計画（１９６４） 1995年フレデリック・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）

検出器：　

液体シンチレータ＋光電子増倍管検出器：　

液体シンチレータ＋光電子増倍管

ニュートリノをとらえる

この実験は実行されず

ベータ崩壊が起きる

ニュートリノ発生ニュートリノ発生

(11)

ニュートリノ検出装置ニュートリノ検出装置

原子炉運転中は反応が

１時間あたり３６±４個多く起こる事を確認原子炉運転中は反応が

１時間あたり３６±４個多く起こる事を確認

世界最初のニュートリノ検出

R. Reines & C. L. Cowan et. al., Phys. Rev. 117 (1960) 160

ニュートリノの検出

̄ν _e ^{+ p →} ⁿ ⁺ ^e ⁺

p → n+e ⁺ + ν _e

β^＋^崩壊

̄ν _e

原子炉からのニュートリノ原子炉からのニュートリノ

1995年フレデリック・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）

中性子と陽電子を検出

(12)

レプトンは何種類？

ベータ崩壊　電子と電子ニュートリノの対

(13)

1937年カール・アンダーソン、ネッダー・メイヤーミュー粒子の発見

宇宙線を霧箱で観測中に、

電子より約200倍重い粒子が含まれていることを発見。

国内では仁科芳雄も独立に発見

ミュー粒子（ミューオンの発見）

(14)

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

原子炉からのニュートリノや、ましてや

原子爆弾からのニュートリノを検出するのではなく、

『加速器を利用してニュートリノビームを作り』

『ニュートリノを検出する』

(15)

ミューニュートリノの発見

http://www.bnl.gov/bnlweb/history/nobel/images/Schwartz-335px.jpg

Ｍ．シュウォーツブルックヘブン国立研究所

ブルックヘブン国立研究所

パイ中間子パイ中間子

ミュー粒子ニュートリノミュー粒子ニュートリノ

鉄鉄陽子ビーム

陽子ビーム

(16)

μ ⁻

ミューニュートリノの発見

ν _μ +n → μ ⁻ + p

ν _μ

スパークチェンバーで記録された飛跡スパークチェンバーで記録された飛跡

なにもない所からミュー粒子が発生なにもない所からミュー粒子が発生

(17)

長基線ニュートリノ実験: K2K & T2K

K2K K2K　to Kamiokande T2K Tokai to Kamiokande ノーベル物理学賞候補。

ニュートリノに質量があることを

「ニュートリノ振動現象」によって明らかにしたただし....

K2K K2K　to Kamiokande T2K Tokai to Kamiokande ノーベル物理学賞候補。

ニュートリノに質量があることを

「ニュートリノ振動現象」によって明らかにしたただし....

ニュートリノビームを入射するニュートリノビームを入射する

KEK@^筑波 KEK@^筑波

J-PARC@^東海 J-PARC@^東海

(18)

電子陽電子

1974年　スタンフォード線形加速器研究所

電子と陽電子を衝突させ、タウ粒子と反タウ粒子の対生成に成功

電子の_{約3500倍の質量} 　陽子の_約2倍

　_{ミュー粒子の約18倍} 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） 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）

タウ粒子の発見

http://www.slac.stanford.edu/history/images/MarkIdet.jpg

生成される粒子を検出生成される粒子を検出

(19)

1999年　DONUT実験

・　FNAL-テバトロン加速器

→　タウニュートリノを発生させる

→　標的中でタウ粒子を生成させる

→　タウ粒子を検出

1999年　DONUT実験

・　FNAL-テバトロン加速器

→　タウニュートリノを発生させる

→　標的中でタウ粒子を生成させる

→　タウ粒子を検出

タウニュートリノの発見

名古屋大学が中心になって実験を成功に導いた名古屋大学が中心になって実験を成功に導いた

(20)

弱い相互作用に関する発見

原子核のベータ崩壊を引き起こす力

エンリコ・フェルミ

『フェルミ相互作用』

1938年エンリコ・フェルミ

中性子衝撃による新放射性元素の発見と熱中性子による原子核反応の発見

1938年エンリコ・フェルミ

中性子衝撃による新放射性元素の発見と熱中性子による原子核反応の発見

W、Z 粒子による力

(21)

弱い相互作用に関する発見

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

1979年シェルドン・グラショー、アドゥス・サラム、スティーブン・ワインバーグ電磁相互作用と弱い相互作用の統一理論への貢献、特に中性カレントの予想

(22)

Phys. Lett. 46B (1973) 121

http://www.symmetrymagazine.org/images/200908/logbook_image.jpg

e⁻

Z ⁰

_ e⁻

_

中性カレントの発見: CERN, 1973

Gargamelle 泡箱検出器 Gargamelle 泡箱検出器

http://wwwlapp.in2p3.fr/neutrinos/neutimg/nhistory/gargamelle.jpg



_

 ^e

⁻

 

_

 ^e

⁻

(23)

ＣＥＲＮ _SppS　

陽子（_{270 GeV}）_-反陽子_{(270 GeV)}衝突実験陽子中のクォークと、反陽子中の反クォークの対消滅

→　荷電ボソン　（Ｗ^+,-ボソン）

→　中性ボソン　（Ｚ⁰ボソン）を生成 ud  W^ e^_e, ^_



ud  W⁻ e⁻_e , ⁻_

M_W=80.4 GeV /c² _CERN-UA1_CERN-UA1

http://wwwlapp.in2p3.fr/neutrinos/neutimg/nhistory/ua1.jpg

u_u  Z⁰e^e⁻ , ^⁻

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

ウィークボゾンの発見

(24)

力の統一

電弱対称性

電磁気弱い相互作用

自発的対称性の破れ

ゲージボソン

W⁺, W^-, W⁰, B⁰(質量０)

ゲージボソン

γ⁰ (^質量０)

ゲージボソン

W⁺, W^- 80.4 GeV Z⁰ 91.2 GeV

2008年南部陽一郎、小林誠、益川敏英

クォーク3世代を予言した、「対称性の破れ」の起源の発見 2008年南部陽一郎、小林誠、益川敏英

クォーク3世代を予言した、「対称性の破れ」の起源の発見

エネルギー

結合の強さ

弱い力

電磁気力

力の統一

(25)

エネルギーの基準

事象の起こり易さ

電磁相互作用弱い相互作用

『電磁相互作用』と『弱い相互作用』の統一

電磁相互作用と

弱い相互作用は違う電磁相互作用と

弱い相互作用は違う

電磁相互作用と

弱い相互作用が同じ電磁相互作用と

弱い相互作用が同じ

宇宙の進化宇宙の進化

(26)

宇宙の進化と力の分離

『電磁相互作用』と

『弱い相互作用に分離』

『電磁相互作用』と

『弱い相互作用に分離』電弱相互作用

電弱相互作用

『電弱相互作用』

『強い相互作用』

『重力相互作用』の統一

『電弱相互作用』

『強い相互作用』

『重力相互作用』の統一

(27)

『自発的対称性の破れ』

クォーク3世代を予言した、「対称性の破れ」の起源の発見 2008年南部陽一郎、小林誠、益川敏英

クォーク3世代を予言した、「対称性の破れ」の起源の発見円卓にスープが配膳

→　対称

スプーンが配膳

→　対称

スプーンに手を伸ばす

→　対称性が『破れる』

『右利き』と『左利き』でストレスが違う

エネルギー準位が違う

→　対称性を破る相互作用

→　あらたなルールが生まれた

超伝導の発生メカニズム等とも関係超伝導の発生メカニズム等とも関係

いただきま～す

おいしそうこっちかはらへった～とりにくい

よいしょっ

たのしみ

なにかな～

(28)

神の粒子（ヒッグス粒子）の発見

http://www.youtube.com/watch?v=RIg1Vh7uPyw http://www.youtube.com/watch?v=RIg1Vh7uPyw

ヒッ_{グス粒子って?}

(29)

素粒子物理学の発展

1935年　ジェームズ・チャドウィック中性子の発見

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 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

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

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 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）

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

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

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

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

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

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

(30)

クォーク3世代を予言した、「対称性の破れ」の起源の発見 1999年ヘラルド・トフーフト、マルティヌス・フェルトマン

電弱相互作用の量子構造の解明

1980年ジェムス・クローニン、ヴァル・フィッチ

中性K中間子崩壊におけるCP対称性の破れの発見

1970年シェルドン・グラショー、アドゥス・サラム、スティーブン・ワインバーグ電磁相互作用と弱い相互作用の統一理論への貢献、特に中性カレントの予想 1963年 ^{ユージン・ウィグナー}

原子核および素粒子に関する理論への貢献、時に対称性の基本原理の発見とその応用

1957年　ヤン・チェンニン、リー・ツンダオ

『パリティ対称性の破れ』の研究

平成23年度 発見の歴史（物理学）

素粒子に関する発見 ③

ニュートリノの発見

ベータ崩壊

ベータ崩壊

ベータ崩壊と弱い相互作用

ベータ崩壊

アルファ線の場合

Am →

Np +α

E

E=mc 2

ベータ線の場合

ベータ崩壊

ベーター崩壊でのスピンの問題

n  pe −

ベータ崩壊

 1

2 +

1

2 +

1

2

スピンの足し算が成り立たない!

スピンの足し算が成り立たない!

ベータ崩壊

放射線淑女紳士への手紙

ニュ ート

リノ の「

発明 」

ベータ崩壊： 弱い相互作用

ベータ崩壊

ニュートリノをとらえる

この実験は実行されず

この実験は実行されず

世界最初のニュートリノ検出

ニュートリノの検出

̄ν e + p → n + e +

p → n+e + + ν e

̄ν e

レプトンは何種類？

ベータ崩壊 電子と電子ニュートリノの対

ミュー粒子（ミューオンの発見）

ミューニュートリノの発見

μ −

ミューニュートリノの発見

ν μ +n → μ − + p

ν μ

長基線ニュートリノ実験: K2K & T2K

タウ粒子の発見

タウニュートリノの発見

弱い相互作用に関する発見

弱い相互作用に関する発見

中性 カレントの発見: CERN, 1973



 e

 

 e

ウィークボゾンの発見

力の統一

エネルギーの基準

事 象 の 起こ り 易 さ

『電磁相互作用』と『弱い相互作用』の統一

宇宙の進化と力の分離

『自発的対称性の破れ』

神の粒子（ヒッグス粒子）の発見

素粒子物理学の発展

平成23年度発見の歴史（物理学）

Am _→

Np _+α

E=mc ²

n  pe ⁻

 ¹

2 ⁺

2 ⁺

ニュ ^ート

リノ ^の「

発明 ^」

ベータ崩壊：　弱い相互作用

̄ν _e ^{+ p →} ⁿ ⁺ ^e ⁺

p → n+e ⁺ + ν _e

̄ν _e

ベータ崩壊　電子と電子ニュートリノの対

μ ⁻

ν _μ +n → μ ⁻ + p

ν _μ

中性カレントの発見: CERN, 1973

 ^e

 ^e

事象の起こり易さ